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系統識別號 U0002-0603201214341900
中文論文名稱 智慧型伺服器直流供電系統之設計與實現
英文論文名稱 Design and Implementation of Intelligent Server DC Power Supply System
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 100
學期 1
出版年 101
研究生中文姓名 侯貴智
研究生英文姓名 Kuei-Chih Hou
學號 797440129
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-01-06
論文頁數 76頁
口試委員 指導教授-翁慶昌
委員-龔宗鈞
委員-李世安
委員-許陳鑑
委員-翁慶昌
委員-盧明智
中文關鍵字 電源供應單元  伺服器電源供應系統  模糊控制 
英文關鍵字 Power Supply Unit  Server Power Supply System  Fuzzy Control. 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文設計實現一台具有自我控制調整輸出能力的平行直流供電系統。在直流電源供應單元(Power Supply Unit, PSU)模組化上,本論文結合並聯背板來將六台直流電源供應單元架構為一個整合式的直流電源供應模組。在直流供電效率的改善上,本論文採用圖形化程式語言LabVIEW以及控制平台NI-USB 8451來控制這個整合式的直流電源供應模組。此方式可以縮短開發、資料收集及測試驗證的時間,更能以視覺化程式語言來幫助除錯。由實驗結果可知,本論文所提的模糊控制方法確實能夠配合伺服器系統的電力需求來有效的調節電源供應器的數量,進而提升效率來達到節能的效果。雖然每台電源供應器所能節省的電力不多,但在長時間使用很多電源供應單元的情況下,本論文所提的方法將能夠節省不少的不必要的電力浪費。此外,本論文所提的電源配置方式與控制方法亦可以提供給資料中心與雲端伺服器做為設計與規劃電源產品之參考。
英文摘要 An automatic self-adjustable of parallel DC supply system is proposed. In this thesis, the modular DC power supply unit (PSU) integrated six PSU with power distribution board to become integrated DC power supply system. For efficiency improvement of the DC supply system, the graphical programming language LabVIEW and the interface I2C device NI-USB 8451 are used to control the automatic self-adjustable of six-parallel DC PSU system. The time of the development, data collection from each power supply, and verification will be reduced by the proposed method. Moreover, the visual programming language can be easily used to debug. Some experimental results are presented to illustrate that the proposed fuzzy control method can adjust the quantity of PSU based on the tactual power requirement of the server system. The power saving of each PSU even though not much, but the proposed method can save a lot of unnecessary waste of electricity in the case of long-term use of a large number of PSU. Moreover, the proposed power supply configuration and control method can also provide the data center and the cloud server as a reference for the design and planning of power supply products.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VIII
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 背景 1
1.2.1 高可用度 4
1.2.2 N+1的架構說明 7
1.3 研究動機及目的 8
1.4 論文架構 10
第二章 直流輸出並聯與系統架構 11
2.1 系統的主電路架構 12
2.2 直流並聯架構 14
2.2.1 採用電壓下降法考量 15
2.2.2 利用可規劃降壓法規劃直流並聯設計 17
第三章 控制理論 21
3.1 模糊理論 21
3.1.1 模糊理論之背景 21
3.1.2 模糊控制器之基本架構 21
3.1.3 模糊控制器之設計步驟 24
3.2 模糊控制器的主要特性 25
3.3 知識庫 27
3.4 模糊控制器設計 28
第四章 利用LabVIEW之模擬與應用研究 32
4.1 NI軟體環境介紹LabVIEW 32
4.1.1 人機介面 32
4.1.2 程式方塊圖 33
4.1.3 圖示及連結器 34
4.2 程式設計 34
4.3 控制的流程圖 35
4.4 連接方式 37
第五章 伺服器供電系統整合效率分析 39
5.1 系統硬體架構說明 39
5.2 硬體架構區塊說明 39
5.2.1 電流檢測電路 40
5.2.2 NI-USB 8451 42
5.2.3 LabVIEW控制系統 44
5.2.4 電源並聯背板 44
5.3 電源供應單位的轉換模式與效率分析 47
5.3.1 功率因數校正線路損失(L1) 48
5.3.2 一次側切換功率開關損失(L2) 51
5.3.3 變壓器轉換損失(L3) 53
5.3.4 二次側切換功率晶體損失(L4) 54
5.3.5 並聯開關線路損失(L5) 55
5.3.6 驅動線路與控制線路損失(L6) 56
5.4 PSU單體與並聯效率的量測 57
5.4.1 PSU單體效率的量測 57
5.4.2 PSU 5+1並聯效率的量測 57
5.4.3 PSU N+1並聯效率的量測 58
第六章 實驗設備與電路設計 60
6.1 電源模組系統實體與測試系統裝備 60
6.1.1 三相交流電源供應器APC APF-33015G 60
6.1.2 三相功率分析儀YOGOGAWA WT500 60
6.1.3 負載機Chroma 63209 61
6.1.4 I2C Expert NI-8451 61
6.1.5 Delta PSU DPS-1200XX 62
6.2 電路設計 62
6.3 並聯電路板PDB 63
第七章 實驗成果 64
7.1 系統測試方式 64
7.2 預估的效率曲線 65
7.3 執行模糊控制器之比較 66
7.3.1 電壓/負載/穩壓率之比較 66
7.3.2 執行模糊控制器之系統效率表現 68
7.4 電源供應器之換手排程 70
7.5 電源供應器之溫度平衡機制 71
第八章 結論與未來研究方向 72
8.1 結論 72
8.2 未來研究方向 72
參考文獻 74

圖目錄
圖1.1、伺服器成長圖 2
圖1.2、伺服器功率傳遞的損耗分析圖 4
圖1.3、電源供應轉換效率分析圖 4
圖1.4、高可用度區別圖 6
圖1.5、2N電源系統架構圖 7
圖1.6、N+1電源系統架構圖 8
圖1.7、高可用度區別圖[2] 9
圖1.8、傳統伺服器機櫃架構圖 9
圖2.1、電源系統架構分類 11
圖2.2、改善系統電源管理架構圖 13
圖2.3、改善系統電源管理方塊圖 14
圖2.4、並聯架構分類圖 15
圖2.5、電壓下降法與主動均流法之區分 15
圖2.6、典型電壓下降法的基本原理 16
圖2.7、轉換器輸出特性對均流準確度的影響 17
圖2.8、(a)典型可規劃電壓降之方塊圖及(b)輸出電壓對電流之曲線 18
圖2.9、經由輸出電流迴授達到下降特性 18
圖2.10、規劃有限直流增益達到下降特性 19
圖3.1、模糊控制器的基本架構圖 22
圖3.2、模糊系統輸入變數L之歸屬函數圖 29
圖3.3、模糊系統輸入變數 之歸屬函數圖 29
圖3.4、模糊系統輸出變數 之歸屬函數圖 30
圖4.1、人機介面 33
圖4.2、程式方塊圖 34
圖4.3、程式控制流程圖 36
圖4.4、控制介面 36
圖4.5、I2C連接方式 37
圖4.6、PDB Address定義 38
圖5.1、硬體架構圖 39
圖5.2、IC腳位圖 41
圖5.3、PSU內部線路圖 41
圖5.4、動作原理說明圖 42
圖5.5、NI-USB 8451介面說明 43
圖5.6、動作原理說明圖 43
圖5.7、硬體裝置連接 44
圖5.8、並聯背板的設計概念 45
圖5.9、並聯背板的模擬條件 46
圖5.10、並聯背板的模擬結果 46
圖5.11、電源供應器電源的內部損失 47
圖5.12、電源供應器的內部損失與效率分析 48
圖5.13、PFC線路架構圖 49
圖5.14、PFC線路在300W時的效率表現 51
圖5.15、PFC線路在1200W時的效率表現 51
圖5.16、開關導通電阻與元件溫度之關係(IRF640N) 52
圖5.17、鐵損與磁通密度關係圖(PC44PQ26/25) 53
圖5.18、同步整流開關並聯運用 55
圖5.19、隔離開關並聯運用 56
圖5.20、PSU單體效率曲線 57
圖5.21、PSU 5+1單體效率曲線 58
圖5.22、N+1 PSU整體效率數據 59
圖5.23、N+1 PSU整體效率曲線 59
圖6.1、三相交流電源供應器 60
圖6.2、三相功率分析儀 60
圖6.3、負載機 61
圖6.4、NI-USB 8451 62
圖6.5、電源供應器 62
圖6.6、電源並聯背板PDB線路圖 63
圖6.7、並聯背板 63
圖7.1、效率驗證的量測點 64
圖7.2、期許控制後的效率曲線 65
圖7.3、負載變化量過大時的電壓變動 66
圖7.4、實驗(1)之模糊控制器執行前後的電壓變動 67
圖7.5、實驗(2)之模糊控制器執行前後的電壓變動 67
圖7.6、實驗(3)之模糊控制器執行前後的電壓變動 67
圖7.7、控制前與控制後效率曲線 69
圖7.8、控制前後效率曲線比較 69
圖7.9、電源供應器換手排程的轉換程序 70
圖7.10、調整前後平均溫度控制的表現 71

表目錄
表1.1、HA等級劃分適合應用 6
表3.1、知識庫-efficiency與PSU Q'ty與平均電流之對照表 27
表3.2、模糊系統之模糊規則庫 30
表5.1、腳位名稱說明 40
表5.2、電源供應單位輸出狀態表 42
表5.3、工作區域與電流I(rms)比較表 49
表5.4、工作區域的功率損失表 50
表7.1、各量測點在滿載6000W下的電壓數值表 64
表7.2、控制前與控制後的效率比較表 68


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[21] 高家聲,智慧型電腦散熱風扇控制系統,淡江大學電機工程學系碩士論文,2008。
[22] 廖育靖,以CompactRIO實現二輪機器人之平衡控制,淡江大學電機工程學系碩士論文,2010。
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