Este artículo detalla el hardware y el software de Analog Devices para la plataforma de la unidad de backup de batería (BBU) del Open Compute Project Open Rack Version 3 (OCP ORV3). Su función principal es crear comunicación entre su módulo BBU y presentar datos e información legibles al usuario a través de una interfaz gráfica de usuario (GUI) cuidadosamente diseñada para este tipo de aplicación.

El plataforma de baterías de respaldo o backup es una característica importante de los sistemas de gestión de alimentación en una arquitectura OCP ORV3 y una aplicación de centro de datos, especialmente en el campo de los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI). Estas plataformas, con un diseño preciso centrado en alojar y organizar las baterías de backup, surgen como centinelas clave, asegurando el buen funcionamiento de los equipos críticos en medio de cortes de energía y variaciones de voltaje.

La importancia crítica de contar con sistemas de backup de alimentación fiables es inequívoca en nuestra era moderna, que se distingue por la sofisticación técnica. La estabilidad de los centros de datos, los nodos de telecomunicaciones y las salas de servidores es esencial para el funcionamiento de las empresas, por lo que es necesario contar con un sistema de backup de alimentación sólido. En este caso, las plataformas de baterías de respaldo desempeñan un papel clave al servir de base de estos sistemas. Estas plataformas, que actúan como centro de base para el almacenamiento eficiente de BBU, crean un vínculo que aumenta la disponibilidad de las reservas de alimentación críticas. Su objetivo principal es alojar y gestionar hasta seis módulos BBU, cada uno de ellos alineado con precisión para alojar baterías de iones de litio emparejadas con convertidores de potencia. La arquitectura de estas plataformas se ha ajustado meticulosamente, fusionando sin esfuerzo la eficiencia en el uso del espacio con la accesibilidad, lo que permite agilizar el mantenimiento y simplificar las operaciones de sustitución.
Una de las principales ventajas de estas plataformas para baterías de backup es la centralización y organización del inventario de módulos BBU. La disponibilidad de un sistema de almacenamiento definido permite un fácil seguimiento, etiquetado y mantenimiento de los módulos BBU, reduciendo el peligro de extravío o confusión, especialmente en situaciones cruciales. Además, este eje centralizado ha demostrado ser una verdadera ventaja para la supervisión del estado de las baterías. Esta estructura facilita las inspecciones, pruebas y sustituciones periódicas.
El variado surtido de tamaños y configuraciones de las plataformas BBU se ha adaptado a los requisitos individuales de diversas industrias e instituciones. El diseño modular de algunas plataformas proporciona flexibilidad, permitiendo el desarrollo futuro de las demandas de alimentación. Además, estas plataformas contienen sistemas de supervisión integrados que proporcionan información sobre el estado de las baterías en tiempo real. Detalles como los niveles de tensión, la temperatura, las actividades de los módulos y la capacidad restante se muestran de un vistazo, lo que permite un mantenimiento preventivo y garantiza que las baterías estén siempre listas para suministrar energía en momentos críticos.

Visión general de la plataforma BBU
Según lo definido por OCP para su nueva arquitectura para ORV3, la arquitectura de alimentación de bastidor abierto consiste en un bastidor de alimentación escalable centralizado y un bastidor BBU que distribuye la alimentación a través de una barra de bus común a los dispositivos de carga útil (equipos de TI). Esta especificación definirá las plataformas BBU que encajan en el Open Rack. La plataforma BBU contendrá seis módulos BBU con redundancia 5+1 para proporcionar alimentación de CC a todas las cargas útiles dentro del bastidor. Cuando se produce un corte de alimentación de CA, la plataforma BBU puede proporcionar alimentación de respaldo hasta el valor nominal máximo de la plataforma de alimentación durante un periodo de tiempo de respaldo especificado. El tiempo de respaldo de la plataforma BBU permite mover el rack entre fuentes de alimentación sin interrumpir el funcionamiento de TI y permite drenar o mover aplicaciones antes de que se pierda la alimentación.

Figura 1. Configuración de plataforma BBU en una arquitectura OCP ORV3.1

Firmware del microcontrolador de la plataforma
El microcontrolador de la plataforma utilizado en la aplicación BBU es el MAX32625, un microcontrolador Arm® Cortex®-M4 de consumo ultrabajo. El microcontrolador es responsable de múltiples procesos.
1. 1. Comunicarse con el ordenador central a través del protocolo Modbus
2. 2. Comunicación con los módulos a través del protocolo Modbus
3. Gestión de la carga periódica de los módulos
4. Modos de control del sistema

Figura 2. (a) Diagrama de comunicación de módulo a la plataforma y (b) Diagrama de bloques de comunicación de la plataforma a PC.

Comunicación con el ordenador central mediante el protocolo Modbus
En la Figura 2, el microcontrolador de la plataforma desempeña un papel fundamental a la hora de establecer una comunicación fluida con el ordenador central a través de la robusta interfaz RS-485, actuando como servidor Modbus experto. Su función principal es recopilar datos de numerosos módulos en tiempo real, lo que hace incansablemente. Estos datos acumulados se envían al ordenador central, donde se utilizan para rellenar una aplicación GUI dinámica, proporcionando una representación visual mejorada. Cuando se reciben comunicaciones del ordenador central, el microcontrolador de la plataforma actúa como guardián, autenticando metódicamente la validez e integridad de cada mensaje. Cuando el microcontrolador está convencido de la autenticidad del mensaje, formula rápidamente su respuesta, basándose en la cantidad de información almacenada en los registros de retención. Esta respuesta, cuidadosamente elaborada, contiene las respuestas que necesita el ordenador central, presentadas de forma estructurada.

Sin embargo, el microcontrolador de la plataforma no falla cuando el mensaje entrante está contaminado por anomalías. Rápidamente asume el papel de un comunicador eficaz, respondiendo con un mensaje de error basado en el protocolo Modbus. Este aviso de error alerta al ordenador central de la anomalía, lo que permite tomar las medidas correctivas adecuadas.
En esencia, la importancia del microcontrolador de la plataforma se refleja en su papel polifacético como conducto de datos, guardián de la integridad de los datos e informador con capacidad de respuesta. Todo ello contribuye a la orquestación de un marco de comunicación sólido y fiable en el ámbito de las interacciones alimentadas por Modbus.

Comunicación con los módulos mediante el protocolo Modbus
En la Figura 2, el papel clave del microcontrolador de la plataforma se hace evidente, ya que cambia sin problemas entre las funciones de un cliente Modbus y un servidor Modbus, coordinando un ecosistema de comunicación complejo y eficiente. Cuando interactúa con muchos módulos BBU, el microcontrolador de la plataforma desempeña el papel de cliente Modbus, iniciando y manteniendo conversaciones con cada uno de los módulos. Estos módulos BBU actúan como servidores Modbus, actualizando continuamente sus registros con la información más reciente. El microcontrolador de la plataforma emprende un viaje cíclico mientras funciona en sincronía. Recorre el entorno de los módulos BBU, capturando datos de telemetría de cada módulo en una cadencia cíclica. Estos datos, que proporcionan información útil, se almacenan cuidadosamente en la memoria del microcontrolador, listos para responder en caso de que surja una pregunta del ordenador central.
Sin embargo, el propósito del microcontrolador de la plataforma no se limita a las interacciones cliente-servidor dentro del sistema BBU. Se transforma en un servidor Modbus, entregando los datos recogidos al ordenador central a petición de éste, creando un puente crucial entre el ordenador central y los numerosos módulos BBU. Al mismo tiempo, continúa su función como cliente Modbus, organizando las interacciones con los módulos BBU y garantizando que la información esté actualizada y sea precisa.
En esencia, el microcontrolador de la plataforma encarna la versatilidad y la adaptabilidad, trabajando hábilmente como cliente y servidor, fomentando una interacción entre el ordenador host y los módulos BBU. Esta interconexión demuestra su capacidad para mantener una sólida estructura de comunicación, aumentando la eficiencia y fiabilidad del sistema en su conjunto.

Gestión de la carga periódica del módulo
De acuerdo con los requisitos de OCP, un módulo BBU debe cargarse periódicamente porque el paquete de baterías pierde corriente mientras está en espera. Dado que un módulo BBU sólo puede cargarse una vez cada 10 días, el microcontrolador de la plataforma debe supervisar y gestionar qué módulos BBU se cargarán. Como resultado, la carga periódica es iniciada por el microcontrolador de la plataforma, que utiliza un comando de protocolo Modbus único para determinar qué módulos BBU requieren carga periódica. Una necesidad básica de los módulos BBU dentro de la arquitectura del sistema se deriva de los estándares desarrollados con precisión por la OCP. Estos módulos, que son componentes clave de la configuración, deben cargarse periódicamente. Este requisito se deriva de la fuga de corriente que sufre el paquete de baterías durante los periodos de espera. Como resultado, se hace necesaria una carga periódica para conservar un rendimiento y una fiabilidad de funcionamiento óptimos.

Modos de control del sistema

Por último, el OCP sugiere añadir un control de usuario para anular las operaciones del módulo BBU. A través de un Modbus, el usuario puede ajustar el funcionamiento de una sola BBU para determinar si requiere carga o descarga.

Interfaz gráfica de usuario de la estantería BBU

Figura 3. Un módulo BBU. Un módulo BBU.

La interfaz gráfica de usuario del módulo BBU está dividida en varias secciones que proporcionan información importante al usuario. Estos componentes y funciones se detallan a continuación. Véase la Figura 3.
1. Indicador de estado de funcionamiento del módulo
2. Lecturas de la temperatura interna del módulo
3. Tabla de indicadores de fallos del módulo
4. Indicador de velocidad del ventilador (en rpm)
5. Información métrica del convertidor de potencia
6. Información de las celdas (tensión y temperatura)

Indicador de estado de funcionamiento del módulo
En la interfaz gráfica de usuario hay al menos cuatro indicadores LED:
► El LED azul señala que el módulo BBU está en funcionamiento en modo de carga
► El primer LED ámbar indica que el módulo BBU está en modo de descarga y proporcionando alimentación de respaldo al backplane del centro de datos
► El segundo LED ámbar indica que el módulo BBU necesita ser sustituido y se encuentra al final de su vida útil (EOL)
► El LED rojo informa al usuario de que el módulo BBU está experimentando un fallo

Lecturas de la temperatura interna del módulo

Además del estado de funcionamiento de la BBU, también se muestra la temperatura interna del módulo en la interfaz gráfica de usuario. Se han colocado al menos nueve sensores de temperatura en la pila de baterías y en la placa de alimentación. El LTC2991 proporciona lecturas digitales de la temperatura al MCU principal, mientras que el ADBMS6948 proporciona lecturas analógicas de la temperatura de la pila de baterías.

Tabla indicadora de fallos del módulo
La GUI tiene una tabla de fallos que indica los diferentes tipos de fallos que se producen durante las operaciones del módulo. Los fallos del módulo son los siguientes:
► Protección contra sobretensión (OVP)
► Protección contra sobrecorriente (OCP)
► Protección contra sobretemperatura (OTP)
► Protección contra sobrecarga y descarga
► Apagado del ventilador

Métricas del convertidor de potencia
Mientras el módulo está en funcionamiento, la GUI es un recurso importante, ya que proporciona métricas vitales tanto para la pila de baterías como para el backplane. Estas métricas tienen un amplio alcance, abarcando datos cruciales como los voltajes de entrada y salida, así como las corrientes. Esta interacción dinámica entre el funcionamiento del módulo y la GUI proporciona a los usuarios un conocimiento completo y en tiempo real del rendimiento y la dinámica energética del sistema.
Información de la celda
La interfaz gráfica de usuario muestra la tensión y el nivel de temperatura de las celdas de la pila de la batería. Estos datos son fundamentales para determinar el estado de salud (SOH) y el estado de carga (SOC) de la pila de baterías.

Figura 4. GUI de resumen de los módulos BBU.

La interfaz gráfica de usuario del módulo BBU incluye una ventana con un breve resumen y funciones de control para el usuario. Esta pestaña concreta de la interfaz gráfica de usuario permite supervisar los seis módulos de BBU, al tiempo que ofrece un control individual sobre una BBU específica, incluida la capacidad de aplicar decisiones operativas.

Consulte la Figura 4 para ver una representación visual.
► Selector de dirección
► Control del sistema de plataformas
Parámetros del sistema de plataformas
► Reparto de averías y corrientes de la plataforma

Selector de direcciones
Los usuarios pueden acceder sin problemas a los módulos BBU especificados seleccionando estratégicamente la dirección precisa de la ranura BBU. Esta asignación estratégica no es aleatoria; es un paso de precaución destinado a evitar conflictos de comunicación Modbus, que se logra mediante la predefinición de una dirección de ranura de plataforma BBU establecida.

Control del sistema de plataformas
Dando autoridad a los usuarios para modificar las operaciones de la BBU. Pueden solicitar a un módulo BBU específico que se cargue o descargue durante su periodo de funcionamiento. Si se opta por el modo de descarga forzada, se eleva la tensión de refuerzo de 48 V a 51 V, lo que facilita la alimentación del backplane al tiempo que se mantiene el funcionamiento ininterrumpido de la fuente de alimentación (PSU) dentro del centro de datos. Este control matizado garantiza un equilibrio optimizado entre la funcionalidad de la BBU y el funcionamiento sin interrupciones de la infraestructura más amplia.

Fallo de plataforma y reparto de corriente
La tabla resumen muestra cualquier fallo detectado en los seis módulos BBU y notifica al usuario. Es la técnica más rápida para localizar cualquier fallo en la plataforma de BBU. Además, durante el funcionamiento en paralelo o en redundancia de los módulos BBU, el indicador del bus de reparto de corriente muestra una tensión de bus de 7 V cuando la carga de la placa base está al máximo y de 10,5 V cuando está funcionando con carga máxima.

Resumen
La plataforma BBU sirve como un componente crucial en un sistema de gestión de alimentación fiable. Estas plataformas se interconectan de forma segura para crear un entorno estable para un sistema de backup de batería, actuando como un eje central para una gestión eficiente. El resultado es un funcionamiento sin interrupciones en el que los sistemas críticos permanecen ininterrumpidos y protegidos frente a cortes de energía y fluctuaciones de tensión. La plataforma BBU proporciona una importante protección en centros de datos, redes de telecomunicaciones o cualquier entorno en el que un SAI sea esencial. Su misión principal es garantizar la continuidad de las operaciones, mejorar la fiabilidad y mantener una infraestructura eléctrica robusta. En un artículo posterior de esta serie se explicará cómo seleccionar componentes para el circuito auxiliar de la BBU. Esto se utilizará como criterio y ventaja a la hora de seleccionar piezas para alimentar dispositivos críticos y reducir la irregularidad del diseño.

Referencia
David Sun. «Open Compute Project Open Rack V3 BBU Shelf Rev 1.1». Open Compute Project, septiembre de 2022.

Sobre el autor
Christian Cruz es ingeniero de desarrollo de aplicaciones de Analog Devices, Inc. en Filipinas. Es licenciado en ingeniería electrónica por la University of the East en Manila, Filipinas. Tiene más de 12 años de experiencia en ingeniería en el campo del diseño analógico y digital, el diseño de firmware y la electrónica de potencia, que incluye el desarrollo de circuitos integrados de gestión de potencia, así como la conversión de potencia de CA a CC y de CC a CC. Se unió a ADI en 2020 y actualmente está apoyando los requisitos de gestión de energía para la computación basada en la nube y las aplicaciones de comunicaciones del sistema.

Sobre el autor
Marvin Neil Solis Cabueñas se licenció en ingeniería electrónica por la Universidad De La Salle de Manila (Filipinas). Antes de incorporarse a Analog Devices en 2021, Marvin trabajó como ingeniero de sistemas para Azeus Systems Philippines, Inc, como ingeniero de redes para Technistock, Philippines, Inc de 2014 a 2017, y como ingeniero de investigación y desarrollo para Nokia Technology Center Philippines de 2017 a 2020. Cuenta con más de 10 años de experiencia laboral en campos como la programación de sistemas embebidos, el procesamiento digital de señales y el modelado de simulación, entre otros. Actualmente trabaja como ingeniero sénior de sistemas de software trabajando en varios proyectos tecnológicos relacionados con la energía. Actualmente cursa un máster en ingeniería eléctrica en la Universidad de Filipinas.

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