機器智能正在開啟生產力的新時代，并逐漸融入我們生活和社會的各個學科和職能領域當中。機器智能依賴計算平臺來執行代碼、解讀數據，并能在瞬間從數萬億數據點中獲取信息。支撐機器智能的計算硬件需具備高速度、極高可靠性與強大功能。設計人員必須將穩健的設計實踐與自診斷功能及持續監測方案相結合，才能預防或管理系統中的潛在故障，如數據損壞或通信錯誤。

此類監測系統的一個核心要素是對全系統電源導軌進行監控。本文將探討并闡述為企業應用設計電源導軌與處理器導軌監測解決方案的最佳實踐。

了解電源架構

企業計算依賴復雜的電源架構，將交流電能從電源輸送至系統各負載點。圖 1 簡要展示了服務器機架中的元件。

高效 PSU（鈦金級設計的效率通常高于 91%）將交流電（208V 或 240V）轉換為 48V 并分配到整個機架。然后，配電板 (PDB) 將直流電源轉換為各種電壓（通常為 12V、5V、3.3V），為主板、存儲、網絡接口卡 (NIC)、交換機及系統散熱等子系統供電。每個子系統均配備有在本地管理的電源架構。電池備份單元 (BBU) 在交流線路中斷時維持系統電力供應。

耐用性設計

每個子系統都需要可靠的電源設計與監測。我們來進一步探討其中的部分子系統。

PSU

PSU 具有多種監測類型，以確保可靠的運行和輸電。PSU 可監測交流電源的輸出電壓，同時檢測內部溫度、過壓和欠壓情況以及短路。

服務器設計還需要 N+1 冗余：“N”表示滿足服務器電源需求的最少 PSU 數量。如果其中一個 PSU 遇到臨時或永久故障或失效，則可使用附加的 PSU（“+1”）。

PDB

如前所述，PDB 將 48V 輸入轉換為多種直流導軌電壓，包括 12V、5V 和 3.3V。盡管可以采用帶簡單并聯基準的比較器來監測各電源軌的過壓/欠壓情況，但現代電壓監控器不僅尺寸小巧、易于設計，還具有諸多額外優勢，例如磁滯與輸入檢測延遲實現防噪性能，可調輸出延遲避免加電期間誤觸發，更高精度造就最高的檢測可靠性。

許多新的電壓監控器（例如德州儀器 (TI) TPS3760）的額定電壓高達 70V，可直接監測 48V 和其他總線電壓，無需低壓降穩壓器或專用電源導軌。除了實時監控，高級監測集成電路還可以提供最重要導軌電壓的遙測數據，實現預測性維護和歷史故障分析，從而顯著減少系統停機時間。

另一個設計注意事項是早期電源故障檢測。這些電路會監測特定電源導軌是否突然出現壓降，并提醒主機或處理器在預期斷電前迅速采取措施。高速且精密的欠壓監控器可執行此功能。圖 2 展示了此類設計的示例及其計時示意圖。

主板

主板電源導軌給設計人員帶來了一系列不同的挑戰，本節將更詳細地探討這些挑戰。

處理器導軌監測

現代處理器對電源導軌的波動極為敏感。造成這種情況的原因有很多，但主要是因為這些處理器在低至 0.7V 的電壓下運行，對電壓波動的容差更低，而且采用了動態電壓和頻率調節等功能。

因此，這些處理器需要高精度的窗口電壓監控器。窗口監控器可監測電源電壓是否存在過壓和欠壓情況。適用于這些應用的器件（如 TI 的 TPS389006）具有 ±6mV 的精度。設計人員可以通過 I²C 寄存器將毛刺濾波器調整至高達 650ns。

電源導軌設計的另一個核心方面是系統在負載快速瞬變期間保持穩定的能力。現代處理器可在幾微秒內從空閑狀態切換到滿載狀態，如果電源和監測系統沒有設計快速環路響應和適當的輸出電容，則會導致急劇的壓降或過沖。

正確的加電和斷電時序對于主板和處理器也至關重要。時序控制可確保系統正確初始化，例如，處理器可能要求內存控制器正常運行后再執行指令。時序控制還可防止加電期間輸入較大的浪涌電流和電壓峰值。在斷電期間，時序控制可在斷電之前為內存和存儲器件提供足夠的時間來保存數據或完成操作，從而保持數據完整性。

圖 3 提供了監測電源導軌和對其進行時序控制的設計示例。

最后，管理輸入浪涌電流對配備熱插拔元件的系統至關重要，可避免觸發電路保護或導致電源總線失穩。集成限流與故障檢測功能的熱插拔控制器可確保順利插入和移除，不會影響其他正在運行的子系統。

未來趨勢

企業行業已蓄勢待發，準備切換至 400V_DC 配電系統，這將消除冗余的變電環節和 I2R 損耗，提升效率，并減少銅材用量與成本。此類高壓系統將需要更強大的導軌監測能力，配合更快的故障檢測與隔離技術，以維持安全性與系統正常運行時間。為了滿足該領域未來的設計需求，新一代高壓監測解決方案應運而生。

卓越的電源架構對于企業系統持續可靠運行至關重要。將穩健的電源設計實踐與實時監測及早期故障檢測相結合，有助于預防意外故障并保護關鍵工作負載。隨著系統復雜度提升及電源架構演進（尤其是向更高壓配電轉型），精心規劃與導軌監控將在提供安全高效的性能方面持續發揮作用。

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