数据中心的电流检测
提升数据中心的效率、可靠性和可扩展性
在人工智能、云计算和数字服务的迅猛发展推动下，数据中心正经历着一场深刻的变革。随着计算能力的提升，能源需求也随之增长，这不仅将现有基础设施推向了极限，也迫使人们彻底重新思考电力生成、分配和管理的方式。
从传统的交流系统到新兴的直流架构，数据中心正朝着更高效、更具可扩展性且高密度的设计方向发展。在此背景下，准确可靠的电流测量已成为性能、安全性和能耗优化的基石。
LEM 通过在整个数据中心供电链（从电网基础设施到服务器机架）中提供先进的电流检测解决方案，支持这一转型，帮助运营商提高效率、确保系统正常运行时间，并为下一代架构做好准备。
基于交流电的数据中心（当今的标准）
基于交流电的架构仍是当今数据中心的主流设计。电力从电网输入，经过变压后，在多层之间进行分配，最终输送到IT设备。
典型的架构包括：
- 电网基础设施（中压/低压开关设备和变压器）
- 不间断电源（UPS）系统
- 交流配电单元（PDU）
- 服务器级电源转换（交流/直流、直流/直流）
- 冷却和暖通空调系统
这些阶段中的每一个都依赖于专门的电力转换和分配设备，从而形成了一条从电网到芯片的复杂链条。
尽管基于AC的架构已得到广泛部署且运行可靠，但仍存在以下几项局限性：
- 多个转换阶段导致累积效率损失
- 系统层面的可视性有限，难以进行优化
- 复杂性日益增加，尤其是在冗余要求不断提高的情况下
- 受机架密度上升和人工智能工作负载增长影响的扩展限制
随着数据中心向更高功率水平和更高密度发展，提高这些架构的能效并加强监控变得至关重要。
LEM在基于交流电的数据中心应用中如何创造价值
为了确保性能、安全性和可靠性，整个交流电源链都需要进行精确的电流测量。
LEM 解决方案部署在每个关键层级：
数据中心领域 | 主要功能 | 测量需求 |
电网基础设施 | 中压/低压转换、电源输入监控 | 精确的交流电流测量、高隔离度 |
备用电源（UPS、电池） | 储能、备用电源连续性保障 | 高精度交流/直流检测、电池监测 |
配电（PDU、RPP） | 电力路由、分支电路监控 | 负载监测、紧凑型检测解决方案 |
电源转换（PSU、AC/DC、DC/DC） | 电压转换、功率调节 | 高带宽电流检测、快速开关控制 |
制冷与暖通空调 | 热管理（风扇、水泵、压缩机） | 电机控制、变频驱动器 |
LEM 面向交流数据中心的解决方案
凭借业内最全面的电流传感产品组合之一，LEM 为数据中心的交流应用提供支持，覆盖整个电力链，从电网基础设施和备用电源到配电、转换和冷却系统。
电网基础设施 | 备用电源 | 电力分配 | 电力转换 | 暖通空调 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 产品系列 | |||||||||||||||
| 带宽 | 27kHz - 82kHz | 0,05kHz - 500kHz | 3kHz | 100kHz - 350kHz | 90kHz - 450kHz | 100kHz - 200 kHz | 0,05kHz - 500kHz | 0,03kHz - 30kHz | 0,02kHz - 0,1kHz | 320 kHz | 25kHz | 240kHz | 300 kHz | 25 kHz | 100kHz - 200kHz |
| 功耗 | 70mA | - | 20mA | 25mA | 19mA | 10mA - 19mA | - | 4 - 20mA | 4 - 20mA | Vref +/- 1.65 V | 4V | 2.5 +/- 0.625 V | 20mA | 4V | 33mA - 49mA |
| 最大电流范围 | 3000A - 6000A | 1000 A | 2000A - 20000A | 20A - 625A | 25A - 300A | 55A - 226A | 1000 A | 50A - 400A | 5A - 400A | 50A - 200A | 500A - 2500A | 150A - 1100A | 10A - 75A | 1500 - 7500 A | 200A - 3400A |
| 供电电压 | 24V | - | 15V - 15V | 5V | 3,3V - 5V | 12V - 15V | - | 12V - 24V | 24V - 24V | 3,3V - 3,3V | 15V - 15V | 5V - 5V | 3.3V - 5V | 12 V - 12V | 12V - 24V |
| 安装方式 | Panel | Busbar | Panel | PCB, Panel | PCB | PCB | Busbar | Panel, DIN Rail | Panel, DIN Rail | SOIC 10 | Panel | Panel | SOIC 16 | Panel | Panel |
| 输出 | Current | Voltage | Current, Voltage | Voltage | Voltage | Current | Voltage | Current, Voltage | Current, Voltage | Analog | Voltage | Voltage | Analog | Voltage | Current |
| 精度 | 0,05% | 0,5% | 1% | 1% - 1,35% | 1% | 0,3% - 0,41% | 0,5% | 1% | 1% | 2% | 1% | 1% | 1,3% - 3% | 1% | 0,2% - 0,6% |
部分直流供电数据中心（新兴架构）
部分直流架构是一种混合方案，它将传统的交流配电与机架或子系统层面日益普及的直流供电相结合。
在此模型中：
- 在机房层面仍使用交流电
- 在更接近负载的位置（机架、机列或IT层面）引入直流配电
- 新的转换环节（例如HVDC、IBC）取代了交流/直流链路的一部分
典型元素包括：
- 交流电网基础设施和不间断电源（UPS）系统
- 直流母线（例如 48V 或更高电压的直流，如 800V）
- 中间母线转换器（IBC）和负载点（PoL）转换器
该架构减少了电网与芯片之间的转换步骤，从而简化了整体供电路径。与传统的交流系统相比，部分直流架构具有显著优势：
- 转换级数减少，整体效率更高
- 在更高电压下电流水平更低：I²R损耗降低
- 功率密度更高，更好地支持AI工作负载
- 可扩展性更强，在高功率水平下实现更简便的配电
例如，高压直流配电（如约800V直流）可在提供相同功率的情况下降低电流，简化布线，并提升散热性能。
这些优势使得部分直流（DC）架构特别适用于下一代人工智能数据中心，因为这些数据中心的机架功耗可能达到极高的水平。
LEM在部分直流数据中心中如何创造价值
数据中心领域 | 主要功能 | 测量需求 |
电网基础设施 | 交流供电、中压/低压转换 | 精确的交流测量、隔离 |
备用电源（UPS、BBU、BESS） | 分布式储能 | 高精度直流检测、快速响应 |
配电（直流母线） | 直流电力路由与保护 | 直流电流监测、故障检测 |
电力转换（HVDC、IBC、PoL） | 高效转换 | 高带宽检测、快速开关控制 |
制冷与暖通空调 | 高效热管理系统 | 电机控制、直流驱动监测 |
适用于部分直流供电数据中心的LEM产品
随着数据中心向混合交流/直流（AC/DC）设计转型，LEM 提供了一系列功能多样的电流检测解决方案，以满足部分直流架构在性能、保护和效率方面的新要求。
电网基础设施 | 备用电源 | 电力分配 | 电力转换 | 暖通空调 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 产品系列 | |||||||||||||||
| 带宽 | 100kHz - 500kHz | 0,05kHz - 500kHz | 0,02kHz - 0,1kHz | 180kHz | 100kHz - 200 kHz | 25 kHz | 400kHz | 0,05kHz - 500kHz | 0,05kHz - 0,06kHz | 320 kHz | 240kHz | 90kHz - 450kHz | 300kHz | 300 kHz | 100kHz - 200kHz |
| 功耗 | 60mA - 130mA | - | 4 - 20mA | 25mA | 10mA - 19mA | 4V | Vref +/- 2.5 V | - | 4 - 125mA | Vref +/- 1.65 V | 2.5 +/- 0.625 V | 19mA | 20mA | 20mA | 33mA - 49mA |
| 最大电流范围 | 12,5A - 1000A | 1000 A | 5A - 400A | 250A - 1400A | 55A - 226A | 1500 - 7500 A | 5A - 50A | 1000 A | 6A - 176,7A | 50A - 200A | 150A - 1100A | 25A - 300A | 15A - 75A | 10A - 75A | 200A - 3400A |
| 供电电压 | 15V | - | 24V - 24V | 3,3V - 5V | 12V - 15V | 12 V - 12V | 3,3V - 3,3V | - | - | 3,3V - 3,3V | 5V - 5V | 3,3V - 5V | 3,3V - 5V | 3.3V - 5V | 12V - 24V |
| 安装方式 | PCB, Panel | Busbar | Panel, DIN Rail | Panel | PCB | Panel | SOIC 8 | Busbar | Busbar, DIN Rail | SOIC 10 | Panel | PCB | SOIC 10 | SOIC 16 | Panel |
| 输出 | Current | Voltage | Current, Voltage | Voltage | Current | Voltage | Analog | Voltage | Current, Voltage | Analog | Voltage | Voltage | Analog | Analog | Current |
| 精度 | 0,00115% - 0,0509% | 0,5% | 1% | 1% - 1,25% | 0,3% - 0,41% | 1% | 2% | 0,5% | 1% - 1,5% | 2% | 1% | 1% | 1% - 3% | 1,3% - 3% | 0,2% - 0,6% |
迈向全直流架构的关键转型
部分直流数据中心是传统交流系统与未来全直流基础设施之间的一次关键过渡。
它们使运营商能够循序渐进地提高效率、验证新兴技术，并为数据中心的大规模部署做好准备。
与此同时，电流检测变得愈发重要，因为这些架构在更高电压下工作，依赖的转换级数量较少但灵敏度更高，并且需要更先进的控制和保护机制。
LEM的产品组合已与这些不断变化的需求保持一致，使客户既能立即部署混合架构，又能为未来构建完整的数据中心基础设施做好准备。
为未来做准备：全面直流配电
随着数据中心不断扩展以支持人工智能驱动的工作负载，传统架构已逐渐达到其极限。为了提高效率并简化配电，业界正在探索全直流架构，在此架构下，电力以直流形式从电网持续流向芯片。
大规模提升效率
通过减少转换级数，全直流配电可以降低能量损耗、简化供电路径并提高整体系统效率。
此外，它还能实现与电池储能和可再生能源的更好集成，而这两者是未来大型数据中心的关键要素。
尽管直流供电具有巨大潜力，但其全面普及仍是一个长期演进的过程。在实现大规模应用之前，仍需解决直流供电保护、安全以及生态系统成熟度等挑战。
LEM 已经在为这一转型做准备：面向全直流数据中心的产品
全直流架构需要高精度、高带宽的直流电流检测，以确保安全、高效的运行。
LEM 目前正在开发符合这些需求的解决方案，包括：
- 用于快速开关式转换器的集成电流传感器（ICS）
- 高压直流传感技术
- 紧凑型高性能测量解决方案
这使LEM能够支持向全直流数据中心的转型，帮助客户从当前的架构过渡到面向未来的基础设施。
固态变压器 | 备用电源 | 电力分配 | 电力转换 | 暖通空调 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 产品系列 | |||||||||||||||
| 带宽 | 1000kHz | 1000kHz | 50khz | 180kHz | 100kHz - 200kHz | 25kHz | 400kHz | 14kHz | 20kHz - 30kHz | 320 kHz | 240kHz | 90kHz - 450kHz | 300kHz | 300 kHz | 100kHz - 200kHz |
| 功耗 | 22mA - 24mA | 80mA - 140mA | 25mA | 25mA | 10mA - 19mA | 4V | Vref +/- 2.5 V | 25mA | 17mA - 20mA | Vref +/- 1.65 V | 2.5 +/- 0.625 V | 19mA | 20mA | 20mA | 33mA - 49mA |
| 最大电流范围 | 125A - 250A | 9000A | 300A - 1000A | 250A - 1400A | 55A - 226A | 1500 - 7500 A | 5A - 50A | 75V - 3000V | 1000V - 1500V | 50A - 200A | 150A - 1100A | 25A - 300A | 15A - 75A | 10A - 75A | 200A - 3400A |
| 供电电压 | 3,3V - 5V | 12V - 24V | 15V | 3,3V - 5V | 12V - 15V | 12 V - 12V | 3,3V - 3,3V | 15V - 24V | 5V - 24V | 3,3V - 3,3V | 5V - 5V | 3,3V - 5V | 3,3V - 5V | 3.3V - 5V | 12V - 24V |
| 安装方式 | PCB | Busbar | Panel | Panel | PCB | Panel | SOIC 8 | Panel | DIN Rail, Panel | SOIC 10 | Panel | PCB | SOIC 10 | SOIC 16 | Panel |
| 输出 | Voltage | Voltage / Current | Voltage | Voltage | Current | Voltage | Analog | Current | Current | Analog | Voltage | Voltage | Analog | Analog | Current |
| 精度 | 1.2% - 1.45% | 0.5% | 1% | 1% - 1,25% | 0,3% - 0,41% | 1% | 2% | 0.5% | 1.7% | 2% | 1% | 1% | 1% - 3% | 1,3% - 3% | 0,2% - 0,6% |