三,、現(xiàn)有12V的市電直供應(yīng)用情況：

3.1Google的12V分布式UPS

Google的12V掛電池方案以分布式電源加分布式電池作為掉電備份,。它的每個服務(wù)器帶一個電源并配一個鉛酸電池,，市電正常時市電直接給設(shè)備供電并將電池充滿,，市電中斷時電池放電直至柴發(fā)起來繼續(xù)供電。它有兩個特點(diǎn)：

1,、電源產(chǎn)自中國,，輸出參數(shù)為13.65V &20.5A，由此可見該服務(wù)器的總輸出功率不會超過250w,。有趣的是,，這個電池會接入開關(guān)電源，那么我們姑且把開關(guān)電源當(dāng)成一個UPS,。市面上最低檔次的UPS每個需要幾百塊錢,，而一個13.65V輸出的UPS，不會比它更貴,。

2,、從公開的資料上看，所使用的電池是免維護(hù)鉛酸蓄電池?zé)o疑,，但其容量只有3.2ah,，充其量只能夠維持3、4分鐘以內(nèi)的服務(wù)器掉電保護(hù)時間,。

該方案的核心技術(shù)是電池管理及切換控制,，原理如下圖所示，其供電效率達(dá)到了99.99%,。

3.2 微軟的12VBBU集中式市電直供方案

下圖是微軟的12V電池BBU集中式市電直供方案,，微軟在2010年推出該ITPAC的機(jī)柜服務(wù)器供電方案，從概念圖上看機(jī)柜采用“集中電源供電,，并在12V母排集中掛鋰電池”的備份方案,。它的上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)單獨(dú)供電，單機(jī)柜以18.6KW功率給96臺服務(wù)器供電,。選用的4.5KW高效率服務(wù)器電源模塊通過12V集中母排給服務(wù)器子機(jī)單元供電,。市電正常時直接給設(shè)備供電，市電中斷情況下，靠鋰電池短時間放電過渡,，直至柴發(fā)起來承擔(dān)全部負(fù)載,。

3.3 隨著功率增加，12V將不再適合于數(shù)據(jù)中心

從前面的兩個案例可以看出,，不管是Google的12V帶電池分布式小UPS供電方案,，還是微軟的12V鋰電池BBU半集中式供電方案，都實(shí)現(xiàn)了接近市電直供的100%供電效率,。但12V電池要么直接掛在IT設(shè)備內(nèi)，要么就安裝在服務(wù)器機(jī)柜內(nèi),，以盡量減少低壓供電的傳輸損耗,。谷歌12V分布式供電盡管傳輸損耗較小，但電源和電池數(shù)量大,、成本高,、電源負(fù)載率低，因而效率會偏低,；而微軟的12V集中式供電的電源和電池數(shù)量少,、成本稍低、負(fù)載率高,、電源效率高,。但鑒于12V供電傳輸損耗大，兩種系統(tǒng)都存在一定不足,。

隨著業(yè)界IT機(jī)柜功率的不斷增加,，以及對能效要求的增長，12V低壓傳輸損耗及成本會成為嚴(yán)重限制,。舉個簡單的例子,，對于12KW的機(jī)柜，如果采用12V集中單母線供電,，那么供電電流可以高達(dá)1000安培,，假設(shè)電源框和母線等的接觸電阻為1毫歐，光接觸電阻的損耗也會高達(dá)1KW,，若算上銅排上的大電流傳輸損耗及電源插框的電源轉(zhuǎn)換效率損耗,，總損耗將高達(dá)3、4千瓦,。采用48V的較高電壓供電方案,，則可以大大降低傳輸及接觸電阻損耗，且48V電源的效率比12V電源的效率高2%以上,。如下圖的兩者損耗分析對比顯示,，采用12V集中供電方案，機(jī)柜的總功率不宜超過6-8KW，如果超過10KW,，傳輸及接觸電阻損耗就會很大,。而采用48V供電方案則沒有這個問題，整機(jī)柜的總功率可以高達(dá)30KW以上,，傳輸及接觸損耗都可以控制在較小的范圍內(nèi),。

當(dāng)然采用類似微軟的做法，將總功率分散在兩個甚至更多的電源插框中可以減少母線電流,，但仍會帶來更多電源插框占用寶貴機(jī)柜空間的問題,，以及更多電源和電池導(dǎo)致更大投資成本等問題。

最后,，12V低壓市電直供方案,，還極大地挑戰(zhàn)對于電源及電池BBU的設(shè)計。畢竟5%的允許波動電壓,，以及至少幾分鐘的電池掉電備份時間等要求,，對于電源及電池的設(shè)計和選擇都極為苛求?？傮w而言,，目前業(yè)界采用12V直掛電池市電直供方案的用戶較少，且未來將有更多的用戶更傾向于48V市電直供技術(shù)方案,。

四,、面向未來的48V市電直供架構(gòu)

如上圖，從電網(wǎng)側(cè)到CPU的整個供電路徑上,，采用傳統(tǒng)12V供電方式帶來的供電損耗會比采用48V供電方式的損耗高出很多,。在未來高功率密度應(yīng)用場合，12V已不再適宜,。48V市電直供方案在通訊行業(yè)已然成熟,。傳統(tǒng)的48V供電方案是集中式電源系統(tǒng)，而未來發(fā)展的48V市電直供方案采用的是分布式電源和IT融合的方案,，電源和電池就近放在IT機(jī)柜邊上,，甚至放到IT機(jī)柜內(nèi)部以減少供電傳輸損耗及線纜投資等。且它允許48V電池電壓的波動范圍較寬,，電池備電時間也可大幅度提高,。目前48V電源最高效率超過了97%，成本也比12V電源低很多,，是個低成本高效率解決方案,。而它帶來的問題是部分IT設(shè)備需要定制。目前在數(shù)據(jù)中心行業(yè),，很多IT設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了48V供電架構(gòu),，推動起來的難度比采用380V高壓直流要小很多,，目前業(yè)界已有較多互聯(lián)網(wǎng)公司采用48V供電架構(gòu)。

1,、Facebook的48V半集中供電架構(gòu)

從公開資料上看,，F(xiàn)acebook采用了分布式服務(wù)器電源加分布式48V電池的方案，每臺服務(wù)器配一個277Vac和48Vdc雙輸入,、單輸出為12.5V的定制電源,。其中277Vac接口直接接到市電交流PDU上，而48Vdc接口連接到48V直流PDU,。市電正常時市電直供,，當(dāng)市電異常或者中斷情況下,，48V電池瞬間放電短時備份,，直至柴發(fā)起來承擔(dān)負(fù)載。

在實(shí)際的物理布局上,，由于分布式48V備份電源不能長距離傳輸供電，因此電池就近擺放在IT機(jī)柜邊上,，每個電池柜覆蓋6個IT機(jī)柜,。如前面所述，市電正常情況下市電承擔(dān)了全部負(fù)載,，48V電源只作為充電器使用,，能保證對備份電池的充電即可，因此48V電源只是個小充電插框,，直接放置在電池柜頂部即可,，如下圖所示。

Facebook的這個市電直供48V備份方案采用鉛酸電池作為后備,，考慮到鉛酸電池的功率密度低,、對溫度敏感且存在漏液等風(fēng)險，因此把電池放在了IT機(jī)柜之外但靠近IT機(jī)柜之處,。每個市電 48V雙輸入服務(wù)器電源內(nèi)部是將兩個電源并聯(lián)在一起,，數(shù)量多，定制成本高,，投資造價大,。所以在后續(xù)的整機(jī)柜版本中，facebook改用了電源更少的集中電源插框供電方案,。且隨著電池技術(shù)的發(fā)展（如更高密度,、放電能力更強(qiáng)及高溫特性更好的鋰電池價格的下降），電源及電池會直接從IT機(jī)柜外轉(zhuǎn)移到IT機(jī)柜內(nèi)部,，顯得更為分布,，如open rack的V2.0版本,。

如前的12V供電分析，facebook的這個V2版本雖然電源適當(dāng)集中,，且電池和電源就近匹配安裝,，但單機(jī)柜內(nèi)仍采用了三個電源插框，以及多根供電母線排等,，這并沒有解決電源數(shù)量多,，12V低壓傳輸損耗大等問題。而48V供電架構(gòu),，可以只用一個電源插框及一根母線排,，且48V鋰電池包較為成熟且容易設(shè)計，因此這個V2應(yīng)該只是個過渡版本,，未來一定會向48V供電架構(gòu)切換（數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施可以基本保留不變,，將電池柜替換成整機(jī)柜即可完成升級）。

右上圖的市電轉(zhuǎn)48V再直接降壓到12V的供電架構(gòu),，如前述,，具有極高供電效率和較低的傳輸損耗，技術(shù)成熟度最高且可選的供應(yīng)商非常多,，是未來數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)方向,。據(jù)不可靠資料，目前業(yè)界的Google,、Amazon和思科等公司已經(jīng)在采用此方案,。當(dāng)然這個架構(gòu)的需要將傳統(tǒng)服務(wù)器主板上的12V輸入供電修改為48V輸入供電，技術(shù)難度很小?，F(xiàn)在有很多刀片服務(wù)器,、網(wǎng)絡(luò)板卡等都是采用48V輸入供電。在服務(wù)器白牌化,、深度定制的今天,，前述互聯(lián)網(wǎng)巨頭要定制48V輸入供電的服務(wù)器就如探囊取物，十分便捷,。

2,、考慮到數(shù)據(jù)中心的整體需求，對交換機(jī),、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,、行間空調(diào)等設(shè)備供電歸一化

隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的發(fā)展，未來的IT和基礎(chǔ)設(shè)施會更為融合在一起,。正如今天我們看到的機(jī)柜級服務(wù)器集成了電源和風(fēng)扇,，服務(wù)器會板卡化，支撐的電源和散熱組建也會適當(dāng)集中,。再往上一級,，比如微模塊級,，分布式供電和散熱組建一定會更為靠近IT負(fù)載，分期投資并彈性配置以實(shí)現(xiàn)就近供電和高效散熱,，這種情況下散熱系統(tǒng)的供電跟著分布式電源走,。剛好目前主流的末端空調(diào)EC風(fēng)機(jī)也是48V供電，分布式電池還可作為散熱系統(tǒng)的持續(xù)供電保障,。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的交換機(jī),、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本都是可以選配可支持48V供電的電源（比如Facebook數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本采用48V直供供電），因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和其他弱電,、監(jiān)控,、照明等可以很容易地選擇適當(dāng)?shù)?8V電源以支持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)的其他部分供電，最終實(shí)現(xiàn)48V供電的IT和基礎(chǔ)支撐的歸一化,。

3,、和鐵鋰電池、燃料電池,、太陽能,、風(fēng)能等結(jié)合在一起的直流微網(wǎng)架構(gòu)

我們前面提到數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)很大程度上取決于電池技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，傳統(tǒng)的鉛酸電池由于功率密度以及安全性等原因不適合直接和IT設(shè)備放在一起,，但鋰電池則由于其高功率密度以及高溫特性好等原因,，未來很有可能會以BBU等形態(tài)和IT設(shè)備就近擺放，甚至?xí)旁贗T設(shè)備內(nèi)部,。當(dāng)電網(wǎng)正常或者新能源供電滿足負(fù)載需求的時候,，直接給設(shè)備供電,，電池作為儲能單元充電備份。當(dāng)供電出現(xiàn)波動或者中斷情況下,，電池放電承擔(dān)起負(fù)載,，鋰電池的大電流放電能力非常適合此應(yīng)用。

除了鐵鋰電池,，未來燃料電池也可能給IT機(jī)柜供電,。據(jù)微軟公開的一份白皮書顯示，微軟正在研究沼氣燃料電池以求在提升設(shè)備能效的同時降低總體運(yùn)營成本,。微軟表示,，把燃料電池直接放到機(jī)架層（rack level）的話，將大幅減輕設(shè)備對于UPS,、發(fā)電機(jī),、開關(guān)裝置等“耗電大戶”的依賴。

數(shù)據(jù)中心行業(yè)關(guān)注數(shù)據(jù)中心的高能耗,，以及目前主流的燃燒化石能源發(fā)電帶來的環(huán)境污染問題,。綠色環(huán)保組織也在持續(xù)曝光各公司的碳排放,，目前業(yè)界一些互聯(lián)網(wǎng)公司已經(jīng)開始采用綠色的風(fēng)能、太陽能等新能源用于數(shù)據(jù)中心的供電,，而這些通常不穩(wěn)定的綠色能源發(fā)出的交流電需要被整流并儲能才可用于IT設(shè)備,。因此對于大型的數(shù)據(jù)中心可能采用380V等高壓直流來儲能，但對于小型的分布式數(shù)據(jù)中心則會采用48V的直流微網(wǎng)架構(gòu),。

五,、結(jié)語

隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的發(fā)展，降低運(yùn)營成本和節(jié)能減排的需求日益突出,，市電直供方案已成為未來趨勢,，并將在大型的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心等場合應(yīng)用得越來越廣泛。380V高壓直流在短期內(nèi)因行業(yè)生態(tài)未完善,，無法大規(guī)模應(yīng)用,，但在未來綠色能源鋪開后大有可為。目前階段采用240V高壓直流技術(shù)可以不用改造設(shè)備快速實(shí)現(xiàn)節(jié)能,，IT設(shè)備電源微調(diào)即使可以接近市電主供高壓直流后備100%的供電效率,，但雙電源成本較高，且路徑效率不高,，所以這只是未來幾年的過渡技術(shù),。隨著IT設(shè)備單機(jī)架功率不斷上升以及對降低能效和成本的不懈追求，未來12V母線供電不管在能耗還是在技術(shù)難度等方面都不占優(yōu)勢,，會逐步被48V的分布式供電架構(gòu)取代,。48V架構(gòu)還歸一了IT設(shè)備、網(wǎng)絡(luò),、空調(diào)末端,、弱電監(jiān)控等設(shè)備，而鋰電池,、燃料電池以及風(fēng)能,、太陽能等綠色能源的進(jìn)步以及發(fā)展會加快這一進(jìn)程。帶電池插框的48V市電直供技術(shù)會是未來數(shù)據(jù)中心IT供電架構(gòu)的重要發(fā)展方向,，希望數(shù)據(jù)中心技術(shù)規(guī)劃以及IT設(shè)備甚至基礎(chǔ)設(shè)施的各設(shè)備廠家共同努力營造此生態(tài),，建造高效節(jié)能、綠色環(huán)保,、彈性靈活,、低成本高可靠的數(shù)據(jù)中心供電之路。