CN101299547B - 用于分布式备用功率供应的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于为分布式设备系统的节点提供备用功率的装置，包括：电流管理器，可操作用以管理至节点处的设备的电流供应；正常电流供应器，可操作用以将正常操作电流供应至该设备；以及位于节点处的超级电容器，可操作用以在正常电流供应器不能将正常操作电流供应至该设备时，在电流管理器的控制下将备用操作电流供应至该设备。该装置优选地进一步包括升压-降压切换调节器，其可操作用以与超级电容器和该设备进行电通信，以调节至该设备的备用操作电流。

Description

用于分布式备用功率供应的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于备用功率的有效递送的装置和方法，用以管理存储子系统在失去主电源时的受控关闭。

背景技术

诸如磁盘文件子系统的高度可用分布式设备系统的基本需求是在移除电源时以适当的方式来管理其数据。在短时期功率中断的情况下(小于30毫秒)，将期望子系统继续正常操作。如果出现了更长的供电中断，则该子系统应当以受控的方式关闭而不丢失任何数据。在后面一种情况下，将期望该系统继续运行大约300秒的一段时间，同时将驻留于临时存储器(诸如，高速缓冲存储器)中的任何数据都写入磁盘。通常使用UPS(不间断电源)技术已经实现了该后一需求，以便保护完整的磁盘文件子系统或者存储控制器。

该方法具有若干缺点：能够在子系统中经济地和实际地采用的UPS设备的数目受到其成本和尺寸的限制，UPS依赖于在产品寿命期间都需要维持的电池技术，并且难以将UPS的操作集成到磁盘文件子系统中。

因此，期望的是一种用于有效递送备用功率的技术，用以在失去主电源时管理诸如存储子系统的设备子系统的受控关闭。

发明内容

因此，本发明提供了一种用于为分布式设备系统的节点提供备用功率的装置，该装置包括：电流管理器，可操作用以管理至节点处的设备的电流供应；正常电流供应器，可操作用以将正常操作电流供应至该设备；以及位于节点处的超级电容器(supercapacitor)，可操作用以在正常电流供应器不能将正常操作电流供应至该设备时，在电流管理器的控制下将备用操作电流供应至该设备。

该装置优选地进一步包括降压-升压(buck-boost)切换调节器，其可操作用以与超级电容器和该设备进行电通信，以调节至该设备的备用操作电流。

优选地，电流管理器可以进一步操作用以控制进入超级电容器的功率流。

优选地，超级电容器进一步可以操作用以在峰值负荷时间将操作电流供应至该设备。

优选地，该设备是磁盘存储设备或者磁盘存储控制器设备之一。

在第二方面中，提供了一种用于控制为分布式设备系统的节点提供备用功率的装置的方法，该方法包括步骤：由电流管理器来管理至节点处的设备的电流供应；由正常电流供应器将正常操作电流供应至该设备；以及在正常电流供应器不能将正常操作电流供应至该设备时，由位于节点处的超级电容器在电流管理器的控制下将备用操作电流供应至该设备。

该方法优选地进一步包括由与超级电容器和该设备电通信的降压-升压切换调节器来调节至该设备的备用操作电流。

该方法优选地进一步包括由电流管理器来控制进入超级电容器的功率流。

该方法优选地进一步包括由超级电容器在峰值负荷时间将操作电流供应至该设备。

优选地，该设备是磁盘存储设备或者磁盘存储控制器设备之一。

因此，在本发明的优选实施例的最宽泛的方面中，本发明的优选实施例涉及一种用于有效递送备用功率的技术，用以在失去主电源时管理诸如存储子系统的设备子系统的受控关闭。

附图说明

现在将参考附图仅仅通过实例来描述本发明的优选实施例，其中：

图1以示意的形式示出了根据本发明优选实施例的装置的布置；以及

图2以流程图的形式示出了一种根据本发明优选实施例的方法。

具体实施方式

本发明的优选实施例提供了一种备选的方法，其中UPS的能量存储功能由超级电容器(备选地公知为超电容器(ultracapacitor))来替代，超级电容器分布在子系统周围，例如分布在每个节点处。以这样的方式，可以利用提供了对功率中断增加的恢复力和冗余度的进一步优势的分布式解决方案，在体积计容量方面更加有效地满足备用功率需求。

通过使用超级电容器作为能量存储元件，可以实现更加有效的解决方案(在体积和重量方面)，并且可以使能量存储更加容易地分布在该系统周围，这带来了进一步的优势，诸如增加的从故障的恢复力和电性能改善，这能够提供功率、封装、冷却和成本方面的进一步改善。

超级电容器或者超电容器是一种电化学双层电容器设备，该电化学双层电容器设备是具有的性能在电池和传统电容器的性能之间的能量存储元件。超级电容器的高功率密度提供了一种用于管理短持续时间的功率需求量的良好解决方案，并且与电池的较低功率密度(尽管能量密度较高)相比，非常适合于该应用。该超级电容器在部件的寿命期间通常并不要求任何形式的维护，等效的电池技术却并非如此。标称值为15V的60F的超级电容器可以在商业上获得。如果这种电容器从15V放电到5V，则它可以提供300秒的2A电流。以这种放电速度，在该300秒期间提供的平均功率是20W。

典型的现代服务器类磁盘驱动器的功率消耗是18W，因此在此范围上的超级电容器放电可以将至驱动器的功率维持300秒，这是子系统以受控的方式断电所需的。超级电容器的体积尺寸将是216mm×69mm×38mm或者更小，这将使得集成到驱动器托架或者子系统底板成为可行的。需要以高效率将超级电容器输出电压转换成磁盘驱动器所需的经过调节的电源，这可以使用降压-升压切换电压调节器来完成。可能的是利用商业上可以获得的设备来实现95％或者更高的效率，并且这些装置能够在超级电容器的工作范围(在给定的实例中，5V至15V)上操作，并且能够提供磁盘驱动器所需的经过调节的电源(通常为+5V和+12V)。

图1中示出了一种可能的实现。在该应用中，每个节点都通过超级电容器(2)来供电，所述节点被定义为其中存储或控制数据的点。功率从与该节点相关联的电源传递到超级电容器，该电源可能是用于磁盘文件外壳的底板电源(4)或者用于存储控制器的服务器电源(5)。进入超级电容器(及其连接的节点)的功率流由电流管理系统(1)控制，并且从超级电容器至节点的能量转换由降压-升压调节器(3)提供，该降压-升压调节器可以对超级电容器电压以上或者以下的输出电压实现有效的能量转换。

对本领域普通技术人员而言将清楚的是，对于每个节点，这些部件(1，2，3)并非必须相同，实践中对于相同的节点，例如为磁盘文件供电的所有节点，这些部件可以是相同的，但是对于可以具有不同的电源电压和功率需求的存储控制器，这些部件可以不同。然而，尽管设计细节可以不同，但是操作的基本原理相同。所有的节点都与高速数据接口互联，并且在节点(可以包括部件1和3)之间还存在用于传送节点之间的状态和控制信息的低速数据接口。该子系统的实际拓扑可以与根据公知解决方案所示出的拓扑不同。

使用根据本发明优选实施例的电流管理/超级电容器/降压-升压调节器布置，就可能将为系统供电所需的能量存储分布到系统周围，而不是将其定位在特定的位置，因此通过增加的现在可用的冗余度改善了系统的恢复力。超级电容器方法的一个优势在于，与电池相比，划分和分配该设备更加容易，并且由于这些部件还可以以较低的成本扩展，所以重复电流管理和调节设备的成本不会高。

由于节点的峰值功率(例如磁盘驱动器上的电动机启动)现在可以由超级电容器提供而不是由主电源提供，因此与传统系统相比，将能量存储部件分布到系统周围也是有利的。因此，还可能降低互联的成本，例如底板功率分配，这是由于现在必须承载比传统系统中更低的峰值功率水平并且因此这也引起后续在封装和冷却需求方面的简化。对于超级电容器的供电需要进行控制，以调节从电源进入设备的电流。

图2示出了根据本发明优选实施例来操作装置的方法。在“开始”步骤200之后，在步骤202，超级电容器充电过程开始。在一段启动时段之后，其确定将在下面更加详细的介绍，在步骤204，由电流管理系统将使能信号发送到降压-升压调节器，并且在步骤206，该调节器取出部分功率来为该设备供电，并继续对超级电容器充电直到完成。在步骤208，充电间隔(其将会继续对设备供电)使超级电容器充满电以补偿任何泄露。这将会在正常操作时段期间继续。如果在检测步骤210，没有检测到功率缺失，则在重复的步骤208继续所述供电和充满电。然而，如果在检测步骤210检测到正常供电的缺失，则电流管理系统切换到超级电容器以在步骤212供电。在步骤214，执行设备的受管理关闭，并且该过程在“结束”步骤216完成。

因此，从未充电状态开始，超级电容器可以以受控的速率充电直到其到达阈值，例如5V，在该阈值处，系统能够开始操作，这对应于图2的启动时段(A)。电流管理系统可以将信号传送到降压-升压调节器，该降压-升压调节器将使得能够对连接的一个或多个设备供电。在图2的5V至15V的充电间隔(B)期间，电流管理系统将向降压-升压调节器供电，并管理该超级电容器的剩余充电。

当达到最终电压时，在这种情况下为15V，电流管理系统仅仅需要供应调节器的功率需求和超级电容器的任何泄露电流。图2的该时段(C)代表子系统的正常操作时段，这时超级电容器被完全充电并且该系统正常操作。在供电中断的情况下，电流管理系统不再能够为该节点提供功率，并且将功率的缺失以信号方式通知存储控制器，然后该存储控制器发起该子系统的受控关闭。在图2的该时段(D)期间，超级电容器通过降压-升压调节器为其连接的节点提供功率。每个超级电容器的电荷状态可以传送回控制器，该信息可以用于以最能量有效的方式来管理系统关闭。随着超级电容器放电到其较低阈值，每个节点可以继续正常地操作。在到达该较低阈值之前，存储控制器将已经管理该节点的受控关闭。这可以甚至包括禁止降压-升压调节器切断至设备的功率以及保持超级电容器上存储的能量，该能量将被重新分配以用于子系统内其他地方，或者保留以用于当外部功率恢复时将延迟降低到其正常操作状态。

当针对该子系统的主电源恢复时，超级电容器被重新充电，并且根据当发生停机时系统是否处于操作的区域(A)、(B)或(C)，恢复时间可以改变，但是恢复时间将不比原始初始化时间更长。所描述的系统在每个节点提供了功率保护，但是由此其他保护级别也是可能的。

举例来讲，能量存储可以位于每个单独的块处。清楚地，对于最高效率，超级电容器的操作电压范围应该接近该设备的最大电压。降压-升压调节器的最小操作电压限定了操作范围的下限，上限由超级电容器设备的限制来设置。超级电容器本质上是一种低电压设备，其中较高电压要求部件的串联连接，这带来相关联的总电容量和可能的可靠性的减小。

在假定15V的设备被放电到5V的实例中，该超级电容器内的存储能量的几乎90％可以回收以在子系统内部使用。通过将超级电容器电压保持在下限(尽管由于泄露该电压会随时间而衰减)，由于在间隔(A)内耗费了较少时间，因此当主电源恢复时子系统的恢复时间将减少。尽管，超级电容器可以完全放电，但是有数据表明如果没有正常地出现完全放电，则该设备随时间的性能将会改善。

本领域人员将会清楚的是，在并未背离本发明的范围的情况下，可以对前述示例性实施例进行多种改进和修改。

Claims (10)

1.一种用于为分布式设备系统的节点提供备用功率的装置，包括：

电流管理器，操作用以管理至所述节点处的设备的电流供应；

正常电流供应器，操作用以将正常操作电流供应至所述设备；以及

超级电容器，其位于所述节点处，操作用以在所述正常电流供应器不能将正常操作电流供应至所述设备时，在所述电流管理器的控制下将备用操作电流供应至所述设备，

其中所述分布式设备系统包括多个所述节点，通过多个所述节点处的超级电容器将为所述系统供电所需的能量存储分布在所述系统周围。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括升压-降压切换调节器，其操作用以与所述超级电容器和所述设备进行电通信，以调节至所述设备的备用操作电流。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中所述电流管理器进一步操作用以控制进入所述超级电容器的功率流。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中所述超级电容器进一步操作用以在峰值负荷时间将操作电流供应至所述设备。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中所述设备是磁盘存储设备或者磁盘存储控制器设备之一。

6.一种用于控制为分布式设备系统的节点提供备用功率的装置的方法，包括步骤：

由电流管理器来管理至所述节点处的设备的电流供应；

由正常电流供应器将正常操作电流供应至所述设备；以及

在所述正常电流供应器不能将正常操作电流供应至所述设备时，由位于所述节点处的超级电容器在所述电流管理器的控制下将备用操作电流供应至所述设备，

其中所述分布式设备系统包括多个所述节点，通过多个所述节点处的超级电容器将为所述系统供电所需的能量存储分布在所述系统周围。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括由与所述超级电容器和所述设备电通信的降压-升压切换调节器来调节至所述设备的备用操作电流。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，进一步包括由所述电流管理器来控制进入所述超级电容器的功率流。

9.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，进一步包括由所述超级电容器在峰值负荷时间将操作电流供应至所述设备。

10.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，其中所述设备是磁盘存储设备或者磁盘存储控制器设备之一。