news 2026/9/30 9:24:22

AI数据中心电源 OCP Open Rack V3 48V 5.5kW PSU 设计规范

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
AI数据中心电源 OCP Open Rack V3 48V 5.5kW PSU 设计规范

Open Rack V3 48V 5.5kW 整流器规范由Meta贡献到社区,用于定义 Open Rack V3 高功率机架(High Power Rack, HPR)中 48V 整流器(rectifier, PSU / Power Supply Unit)的技术要求。规范对象为插入 48V 电源架(power shelf)的单相整流模块,单机额定输出功率 5.5kW,电源架内按不低于 N+1 冗余配置多台并联运行。

规范原档已上传星球:

https://t.zsxq.com/p9bsy

核心结论如下:

  • 功率等级由上一代 3kW 提升至 5.5kW,并配套 20mF 输出电容、10kHz 动态负载能力与 136%/160% 脉冲功率包络,整机目标指向 GPU 类重复峰值脉冲负载场景。

  • PSU 与 BBU 之间的交接机制为「三条件逻辑 + ≥500ms 验证延迟撤销」,并明确过载与短路期间禁止触发备份投入,构成故障局部化的核心原则。

  • 保护策略统一为一次性同步重试后闭锁,闭锁由交流断电重启、重新插拔或 Modbus 命令清除,计数器在正常运行 30 分钟后清零。

  • 互操作性条款要求不同供应商的模块与电源架(含 PMM)任意混配可互换,但同一机架内全部 PSU 须为同一供应商。

1 架构定位

1.1 48V 架构设计

整流器基于窄范围 48V 架构(narrow range 48V architecture)工作:空载输出 50V、满载输出 49V,下垂 1V,并在 150% 负载处线性外推至 48.5V。相较 Open Rack V2 的 40~60V 直流,该架构带来四项收益:电压尽可能收窄以消除过设计;广泛使能 4:1 固定比变换器与下游常规 12V PoL;功率自然流动而不依赖软件控制;整流器可采用固定电压设计。

同时抬高了控制精度要求:稳态设定点精度为 ±0.25%(49V 对应 ±0.125V),动态阶跃允许的下冲/过冲 0.5~1.5V。规范因此采用「下垂 + 主动均流」双机制:下垂提供无通信条件下的天然负载分配,主动均流通过低带宽模拟总线把并联误差至 ±2%(负载 >50%)。

1.2 系统内各部件划分

部件

职责

与整流器的接口

PSU(整流器)

AC-DC 变换、输出稳压与保护、脉冲功率缓冲、状态上报

后置盲插连接器(电源脚 + 信号脚)

Power shelf(电源架)

承载 6 台 PSU,提供背板信号互连与输出母线

SYNC_START、ISHARE、AC_Loss_L、Pulse_Mgmt_L 等共享总线

BBU shelf(电池备份架)

接收 AC_Loss_L / Pulse_Mgmt_L 后投入放电,维持 50V 母线

两路 RJ45 传送共享信号

PMI / PMM(电源监控模块)

机架级监控、在位检测、通信聚合

Present_L、I2C、RS485(Modbus)

机架监控(rack monitor)

下发强制放电等 Modbus 命令

Modbus(默认激活,最高 115kbps)

 

1.3 供电链路与信号协同

图 1 供电链路与信号协同架构(依据规范第 3 章条文绘制)

功率通路由 EMI 滤波与整流、浪涌继电器与 PFC、高压母线电容、DC-DC 隔离变换、ORing FET 与输出构成,经电源架输出母线及其母线夹向 IT 负载供电;风扇由内部控制并按前后风道送风。信号侧存在三条性质不同的通道:其一为模块级点对点信号(Alert、Present_L、Reset_Latch_Fault、PSKILL);其二为机架级共享总线(SYNC_START、ISHARE、AC_Loss_L、Pulse_Mgmt_L、AC_Fault_CLR),规范要求各共享信号的上拉电阻必须各自串联二极管,以保证单台 PSU 故障不影响其他 PSU;其三为通信总线(RS485/Modbus 与 I2C/PMBus)。

互操作性:不同供应商的 PSU 模块、电源架(含 PMM)须在任意混配组合下互操作且可互换;但同一机架内的全部 PSU 模块必须来自同一供应商。

1.4 PSU→BBU

图 2 AC_Loss_L 断、BBU 投入与撤销时序(依据 3.18 节绘制)

AC_Loss_L 为低电平有效信号,每台 PSU 输出一路,每台 BBU 接收两路输入。触发(assert)由三个条件逻辑:其一,检测到交流丢失后经 4~5ms 验证延迟;其二,以高压母线电容剩余能量为判据,须保证至少 5ms 的余量以供 BBU 建立放电;其三,发生其他交流故障(输入欠压 UVP、过压 OVP、欠频 UFP、过频 OFP)时,经相应验证延迟后。BBU 收到有效信号后拉低 Sync_Start_L,启动立即放电。

撤销(deassert)条件:交流恢复正常后,PSU 在检测到主输出已建立的前提下,须经至少 500ms验证延迟方可撤销 AC_Loss_L,以确保由 BBU 切回 PSU 的过程中 50V 母线电压不跌落。该信号还可通过 Modbus触发。

图 3 AC_LOSS 与 PULSE_MGMT 信号物理连接(原文档 3.18 节配图)

上图中,同一电源架内全部 PSU 的 Pulse_Mgmt_L 信号并接后,经两个 RJ45 连接器送至 BBU 架,再由 BBU 架分发至各 BBU。该拓扑使得「任一 PSU 母线电容能量耗尽」即可向整机架 BBU 请求分担脉冲负载;若 BBU 拒绝分担,PSU 须释放或抬高其最大输入功率限值以独自承担负载——此处构成了脉冲负载场景下的逻辑。

2 电气要求

2.1 输入侧:电压窗口、过压与上游保护协调

参数

标称

最小

最大

输出功率

交流输入电压

200~277Vac(典型 220/230/240/277)

180Vac

305Vac

5.5kW @198-305Vac;180~198Vac 可能需降额

输入频率

50Hz / 60Hz

47Hz

63Hz

—

越限响应

—

—

—

电压/频率越限后 20ms 内关断 PFC 与继电器

输入过压关断

—

—

—

>345V 持续 20ms,或 >309V 持续 50ms 关断

交流浪涌电流

—

—

—

冷启动 ≤30A RMS(42A 峰值)@25℃,不含 X 电容充电

断电恢复冲击

—

—

—

峰值 <3 倍稳态电流,持续 <1 个周期(20ms)

 

交流输入电压与频率要求(对应原规范表 1 与 3.5、3.7 节)

输入:180~305V 覆盖 208V/240V/277V 各类配电制式,47~63Hz 覆盖 50/60Hz 电网。在 180~198V 区间整流器仍须保持运行,但允许降额,这为低压电网或长馈线压降场景保留了可用性。

图 输入过压保护动作区(原文档 3.5 节配图:345V/20ms 与 309V/50ms 双判据)

输入过流保护要求相线与回流线均设置主熔断器,且熔断器须通过 UL 认证、额定分断能力不低于 25kA;选择原则为避免误动作,交流浪涌电流在任何条件下均不得熔断熔断器,除非整流器内部器件已失效(直流输出过载与短路亦不得熔断)。与上游配电协调:NEC 汇流箱熔断器为 30A 并按 24A 降额使用,IEC 侧断路器为 32A,两路交流馈电进入电源架、每路交流相各接一台 PSU。

图 5 PSU 熔断器与 NEC 30A(降额 24A)汇流箱熔断器的协调曲线(原文档 3.6 节配图)

图 6 PSU 熔断器与 IEC 32A 断路器的协调曲线(原文档 3.6 节配图)

两张协调曲线共同要求:在全部预期工作电流区间内,PSU 内部熔断器的动作曲线须位于上游保护装置的动作曲线下方(即先于上游动作),同时在浪涌区不动作。5.5kW@277V 满载输入电流约 20A 量级,而 NEC 侧可用连续电流仅 24A,可见输入电流的谐波与功率因数表现直接影响上游裕度,这也是规范对 PF 与 ITHD 提出严格限值的直接原因之一。

2.2 效率、功率因数与谐波

负载区间

峰值效率

最低效率

备注

30%~100% 满载

>97.5% @230/240/277V

>96.5% @230/240/277V

带风扇测量

30%~100% 满载

>96.5%

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