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摘要
本文詳細介紹了ADI公司用于開放計算項目開放機架第3版(OCP ORV3)備用電池單元(BBU)架的硬件和軟件。其主要功能是建立BBU模塊之間的通信，并通過為此類應用精心打造的圖形用戶界面(GUI)向用戶呈現可讀數據和信息。
引言
備用電池架是OCP ORV3架構和數據中心應用中電源管理系統的重要功能，對于不間斷電源(UPS)來說尤為關鍵。這些架子經過精心設計，專門用于存放和管理備用電池，是確保關鍵設備在停電和電壓波動情況下穩定運行的重要保障。
在當今技術高度發達的時代，可靠備用電源系統的重要性不言而喻。數據中心、電信樞紐和服務器機房的穩定性對公司運營至關重要，因此強大的備用電源系統必不可少。在這種背景下，備用電池架作為這些系統的基礎，在各行各業發揮著關鍵作用。這些架子是高效存放BBU的基礎樞紐，有助于提升關鍵電力儲備的可用性，其主要作用是容納和管理多達六個BBU模塊，每個模塊都精準對齊以容納與電源轉換器配對的鋰離子電池。這些架子的結構經過悉心設計，巧妙地將空間利用效率和可訪問性融為一體，令維護工作更加便捷，更換操作也更加簡單。
電池備用架的一大優點在于能夠集中管理和組織BBU模塊庫存。一個規范的存放系統有利于對BBU模塊進行跟蹤、標記和維護，從而減少誤放或混淆的風險，這對于關鍵情況尤其重要。此外，這個集中化的存放系統還為電池健康監測提供了超大便利，更加便于定期進行檢查、測試和更換操作。
BBU架有多種尺寸和配置，可滿足不同行業和機構的個性化需求。部分架子采用模塊化設計，提供了靈活性，可適應未來電力需求的發展。同時，這些架子上裝有集成監控系統，可實時提供電池狀態信息。此外，電壓水平、溫度、模塊活動和剩余容量等詳細信息也一目了然，方便進行預防性維護，并確保電池在關鍵時刻隨時可以提供電力。
BBU架概述
根據OCP對ORV3新架構的定義，開放機架電源架構由集中式可擴展電源架和BBU架組成，BBU架通過公共母線將電力分配給有效載荷設備（IT設備）。此規范對適合放入開放機架的BBU架做出了定義。BBU架將包含六個BBU模塊，具有5+1冗余能力，為機架內的所有有效載荷提供直流電源。當交流電源斷電時，BBU架可以在指定的備用時限內持續提供備用電源，功率最高可達電源架的最大額定值。BBU架的備用時間使機架可以在不同電源之間切換而不影響IT設備運行，并且應用程序可以在電源斷電前安全轉移或關閉。
圖1.OCP ORV3架構中的BBU架配置1。
架微控制器固件
BBU應用中使用MAX32625作為架微控制器，這是一款超低功耗Arm® Cortex®-M4微控制器，在應用中需負責多個過程。
1. 通過Modbus®協議與主機通信
2. 通過Modbus協議與模塊通信
3. 處理模塊的定期充電
4. 系統控制模式
圖2.(a)模塊到架的通信示意圖，(b)架到PC的通信方框圖。
通過Modbus協議與主機通信
在圖2中，架微控制器發揮的關鍵作用是充當專業Modbus服務器，通過穩健的RS-485接口與主機建立無縫通信，主要功能是不遺余力地實時從眾多模塊收集數據。隨后將所采集的數據傳送到主機，用于填充動態GUI應用程序，從而提供更直觀的圖形展示。當從主機接收到通信時，架微控制器充當“門衛”，有條不紊地驗證每條消息的有效性和完整性。微控制器確認消息的真實性滿足要求后，會利用保持寄存器中存儲的信息量快速地擬定答案。這個精心設計的響應包含主機所需的答案，答案以結構化的方式呈現。
然而，當傳入的消息受到異常污染時，架微控制器不會發生故障,而是會迅速承擔起有效通信者的角色，根據Modbus協議以錯誤消息進行響應。此錯誤通知會向主機發出異常警報，以便后者采取適當的糾正措施。
本質上，架微控制器的重要性體現在其所扮演的多方面角色上——它既是數據管道，又是數據完整性守護者，還是響應式信息提供者。所有這些都有助于在Modbus驅動的交互領域構建強大而可靠的通信框架。
通過Modbus協議與模塊通信
在圖2中，架微控制器的關鍵作用愈發明晰，它在Modbus客戶端和Modbus服務器的角色之間無縫轉換，協調復雜而高效的通信生態系統。當與許多BBU模塊交互時，架微控制器扮演Modbus客戶端的角色，發起并維護與每個唯一模塊的對話。這些BBU模塊充當Modbus服務器，不斷使用最新信息更新其保持寄存器。在同步工作時，架微控制器還以循環方式遍歷BBU模塊環境，定期捕獲來自每個模塊的遙測數據。這些包含有用洞察的數據被小心地存儲在微控制器的存儲器中，以便在主機提出問題時可以隨時做出回答。
不過，架微控制器的用途不僅限于BBU系統內的客戶端-服務器交互，還可以轉換為Modbus服務器，根據請求將收集的數據傳送到主機，在主機和眾多BBU模塊之間架起重要橋梁。與此同時，它繼續發揮Modbus客戶端的作用，管理與BBU模塊的交互，并確保信息是最新且準確的。
本質上，架微控制器具備多功能性和適應性，能夠靈活地充當客戶端和服務器，促進主機與BBU模塊之間的交互。這種相互聯系表明它有能力維持穩固的通信結構，從而提高整個系統的效率和可靠性。
處理模塊的定期充電
根據OCP要求，BBU模塊必須定期充電，因為電池包在待機時會漏電。BBU模塊每10天只能充電一次，因此架微控制器必須監控和管理哪些BBU模塊需要充電。架微控制器通過Modbus協議命令來確定哪些BBU模塊需要定期充電，然后啟動相應的定期充電操作。OCP確立的標準決定了系統架構中BBU模塊的基本需求。這些模塊是系統的關鍵組成部分，必須定期充電，因為電池包在待機期間會發生電流泄漏。換句話說，定期充電是保持最佳性能和運行可靠性的必要操作。
系統控制模式
最后，OCP建議添加用戶控制項來覆蓋BBU模塊操作。通過Modbus，用戶可以調整單個BBU的運行狀況，以確定其是否需要充電或放電。
BBU架圖形用戶界面(GUI)
圖3.BBU模塊。
BBU模塊GUI分為若干部分，負責向用戶提供重要信息，下面將詳細介紹具體部分和功能。參見圖3。
1. 模塊運行狀態指示燈
2. 模塊內部溫度讀數
3. 模塊故障指示表
4. 風扇轉速指示（單位：rpm）
5. 電源轉換器指標信息
6. 電芯信息（電壓和溫度）
模塊運行狀態指示燈
GUI上至少有4個LED指示燈：
? 藍色LED表示BBU模塊處于充電工作模式
? 第一個琥珀色LED表示BBU模塊處于放電模式，并為數據中心的背板提供備用電源
? 第二個琥珀色LED表示BBU模塊處于壽命末期(EOL)，需要更換
? 紅色LED指示BBU模塊發生故障
模塊內部溫度讀數
除了BBU運行狀態外，模塊的內部溫度也會顯示在GUI中。電池堆和電源板內至少放置了九個溫度傳感器。LTC2991向主MCU提供數字溫度讀數；而ADBMS6948提供電池堆的模擬溫度讀數。
模塊故障指示表
GUI的故障表描述了模塊運行期間觸發的不同類型故障。模塊故障如下：
? 過壓保護(OVP)
? 過流保護(OCP)
? 過溫保護(OTP)
? 過放電保護/過充電保護
? 風扇關停
電源轉換器指標
GUI是一項重要資源，可在模塊運行時，為電池堆和背板提供重要運行指標。這些指標范圍很廣，涵蓋了輸入、輸出電壓以及電流等關鍵數據。模塊運行和GUI之間的這種動態交互讓用戶得以完整實時地了解系統性能和能源動態。
電芯信息
GUI會顯示電池堆電芯電壓和溫度水平。這些數據對于確定電池堆的健康狀態(SOH)和充電狀態(SOC)至關重要。
圖4.BBU模塊摘要GUI。
BBU模塊GUI中有一個包含簡單摘要和用戶控制功能的窗口。這個特定選項卡可以監控所有六個BBU模塊，同時支持對特定BBU進行單獨控制，包括執行運行決策。圖4直觀的呈現了相關內容。
? 地址選擇器
? 架系統控制
? 架系統參數
? 架故障和均流
地址選擇器
用戶可以通過策略性地準確選擇BBU槽地址來順利訪問指定的BBU模塊。這種策略分配并不是隨機的；這是為了防止Modbus通信沖突而采取的預防措施，通過預定義一組BBU架槽地址來實現。
架系統控制
賦予用戶修改BBU操作的權限，讓用戶可以指令特定BBU模塊在運行期間充電或放電。選擇強制放電模式會導致升壓電壓從48 V升高到51 V，從而有利于背板供電，同時讓數據中心內的電源單元(PSU)保持運行而不受干擾。這種細微的控制可確保BBU功能與大型基礎設施的無縫運行之間保持出色平衡。
架故障和均流
摘要表中會顯示在六個BBU模塊上檢測到的任何故障并通知用戶，可以迅速定位BBU架中任何故障。此外，在BBU模塊并行或冗余操作期間，均流總線指示器顯示當背板負載為最大值時，總線電壓為7 V，當峰值負載操作有效時，總線電壓為10.5 V。
總結
BBU架是實現可靠電源管理系統的關鍵組件。這些架子牢牢地相互連接，為備用電池系統創建了一個穩定的環境，是高效管理的核心樞紐。這樣就能實現無縫運行，保持關鍵系統不間斷，避免受到斷電和電壓波動影響。BBU架為數據中心、電信網絡和任何需要UPS的環境提供重要保護，其主要使命是確保運營的連續性，提高可靠性，并保持電源基礎設施穩健運行。本系列的下一篇文章將介紹如何為BBU輔助電路選擇合適的組件，其中的標準和建議將有助于為關鍵設備選擇恰當的供電器件，并減少設計不規范問題。
參考資料
David Sun。“1.1版開放計算項目開放機架V3 BBU架”。開放計算項目，2022年9月。
關于ADI
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2023財年收入超過120億美元，全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問
作者簡介
Christian Cruz是ADI菲律賓公司的應用開發工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學的電子工程學士學位。他在模擬和數字設計、固件設計和電力電子領域擁有超過12年的工程經驗，包括電源管理IC開發以及AC-DC和DC-DC電源轉換。他于2020年加入ADI公司，目前負責支持基于云的計算和系統通信應用的電源管理需求。
Marvin Neil Solis Cabueñas畢業于菲律賓馬尼拉德拉薩大學，獲電子工程學士學位。2021年加入ADI公司。此前，Marvin曾在Azeus Systems菲律賓公司擔任系統工程師，然后在Technistock菲律賓公司擔任網絡工程師（2014年至2017年），并在諾基亞技術中心菲律賓公司擔任研發工程師（2017年至2020年）。他擁有超過10年的工作經驗，涉足多個領域，如嵌入式系統編程、數字信號處理、仿真建模等。他現在是ADI的高級軟件系統工程師，負責多個與電源相關的技術項目。目前正在攻讀菲律賓大學電氣工程碩士學位。
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