【网络世界独家约稿】

1、前言

数据中心已经发展近20年，其供配电和电力电源方式也发展迅速。本文通过数据中心领域UPS(不间断电源)发展的历史，从供应商、用户、技术发展背景等多个角度进行剖析，让读者明白不间断电源UPS发展背后的因素和推动力，未来可能的发展方向。需要特别指出的是，本文虽然涉及较多电源相关专业知识，但并非针对具体技术细节讨论电源专业问题，笔者主要想分享两点：

1) 从数据中心关键ICT负载的需求角度，怎么看待UPS电源产业，并非UPS电源行业怎样设计UPS。

2) 用最基本逻辑的角度去分析不同UPS方案、剖析互联网定制UPS、推导给出UPS系统架构方法论。

笔者在国内外工作期间，研究了不少中大型数据中心，这些数据中心的UPS电源架构包括传统的双变换塔式UPS、中大型模块化UPS、以及飞轮UPS等等。与此同时，大型互联网数据中心正掀起一阵电源改革风，包括Facebook的OCP电源架构，微软LES电源架构，国内240V直流集中电源抑或天蝎机架电源等。笔者想通过本文分享以下问题的理解：

各种UPS电源架构，究竟差别在哪里?

互联网公司那些“创新”电源方案，有什么奥妙?

哪种方案适合什么用户?

怎么判别和衡量各种方案优劣?

为什么互联网公司偏好定制UPS电源?

未来UPS技术方向探究

本文观点仅为笔者个人想法，不代表所在公司和其他公司的相关技术观点。相关素材图片均为笔者原创或来自网络上公开图片和素材。因笔者水平有限，文中若有谬误，请各位专家同行指正，欢迎探讨。

2 数据中心UPS物理逻辑属性

业界对UPS的划分有多种方式和维度，包括拓扑结构，动态和静态等。顾名思义，UPS是不间断供电，那到底什么是UPS的本质物理逻辑属性呢?在此，笔者提供了一张典型的双变换UPS供电系统简化全链条图，从市电引入到IT设备用电：

图1 传统双变换UPS供电系统图

典型的电力流向，是市电经过变压器(通常是交流10kV变换成380V交流，经过交流UPS进行交流转直流、直流转交流的双变换后，通过列头配电柜配电，最后把380V交流电分配到每个服务器。而服务器内部的电源，是把220V单相交流电转换成12V直流电，然后在电源内部有多路直流电压变换VR，变换成适合CPU、内存、硬盘等工作的电压。笔者认为，UPS本质物理逻辑属性只有三点，提供稳定的工作电压变换、储能设备、储能设备位置。最本质的东西往往并不复杂，对于交流的UPS，就是提供负载端所需要的交流工作电压，然后需要有储能设备，如蓄电池。下面以互联网公司目前主流应用的240V直流电源举例：

图2 240V高压直流供电系统图

比较交流UPS和直流UPS之间就可以看出，两者本质是一致，这里也拿380V直流比较，和240V除电压外，其余是一致的。

在此，笔者提出一种不同于现有理论体系的观点，称为UPS三要素法，工作电压、储能设备和储能设备位置。而这三者的逻辑关系是，储能设备在某个位置变换恒定的工作电压给负载，例如上面例子提及的双变换UPS和高压直流。

下一章，笔者将对业界的UPS电源架构用三要素法进行讲解。

3 从本质看各种UPS电源架构发展形态

上一章笔者提出三要素法，本章笔者会通过电力流向图结合三要素法分析各种业界的UPS方案。同时以380V双变换交流UPS为例子做对比，使读者更清晰理解各种UPS方案的区别。

3.1 Facebook的48V电源架构

图3 Facebook的48V电源

普及一下Facebook的电源设计背景，是基于双电源2N供电的服务器电源架构;Facebook采用定制电源架构，是市电直供电源加 48V的DC供电电源架构。整个电力流向图如下：

图4 Facebook的48V供电系统图

通过对Facebook的定制电源供电架构剖析，定制服务器电源里面，有N容量的电源，是直接277V单相交流电(北美是480V交流三相，277V交流单相)，转换成12V的服务器电源，而另外一路N，是48V DC转换成12V DC。

同时，为了更加节能，Facebook进一步地把服务器电源设计成AC/DC和DC/DC之间是热备份关系，即平时主要用AC/DC的回路，市电直接供电。电池柜回路仅为电池充电用，当市电失效时，服务器电源PSU内部的48V DC/DC模块会启动，实现电池直接放电。这种热备份式后备供电模式，使得Facebook在绝大多数时间使用市电直接供电，系统效率高。

比较380V双变换交流UPS，我们可以发现，Facebook电源差别如下：

下图是Facebook定制48V电源的整机架，感兴趣的读者可以查找其他资料深入了解，在此笔者不作深入的技术分析。

图5 Facebook的OCP机架和供电方案图

3.2 240V高压直流电源+天蝎PSU后备电源架构

国内互联网企业，在天蝎电源基础上，在参考Facebook的电源架构后进行借鉴，改造成类似Facebook的电源架构方案。

天蝎机架和电源相关信息和spec，读者可以查看下面开放数据中心的链接：

http://www.opendatacenter.cn.robotcnc.cn/uploads/soft/141202/1_2227411231.pdf

笔者用下图电力流向解释

图6 240V高压直流电源和天蝎PSU供电系统图

和Facebook采用相同的电源架构，不同的只是电压等级，可以看看下表比较总结：

和原有240V高压直流供电相比，可以看下表：

在线式和后备式这个差别，对设备最大影响是，在线式240V设计，电源模块数量配置≥负载需求，而后备式240V设计，电源模块配置容量≥电池充电量。举一个配置的例子，100kW的负载配置高压直流，10kW一个高压直流模块，充电功率为C10(10%输出负载，即10kW)，使用后备式和在线式的240V高压直流配置差别：

可以看出，采用后备式供电架构，电源模块配置数量会大大减少，高压直流仅需要配置充电模块和冗余模块，采购成本能够大幅降低。

3.3 微软整机架电源+锂电池架构

自微软加入Facebook主导的OCP组织后，公布了其最新服务器电源相关设计是整机架电源+分布式本地化锂电池LES(local energy storage)。根据国外相关公开信息，微软的方案如下：

微软机架电源LES

对于服务器的PSU内部，在PSU的做AC/DC整流之前，加入了380V直流的锂电池，电力流向图如下：

图7 微软380V DC服务器电源供电系统图

微软的设计和Facebook不同，Facebook的48V设计使用铅酸电池，而微软把储能设备改成锂电池，电压变成380V直流。比较Facebook和微软的电源做法，我们可以比较差异

同样，微软的电源架构，改变了工作电压，必须定制服务器PSU电源适配。和国内240V直流集中电源不同，微软把380V DC直接做到每一个机架里面，而不是做一个大的380V高压直流电源设计，就是集中式改成分布式，这样的好处是简化供配电系统。为什么高压直流做分布式更好一点?