一种交叠穿插式垂直供电母排及其供电方法与流程

本技术涉及层叠传导型电源供应单元，尤其涉及一种交叠穿插式垂直供电母排及其供电方法。

背景技术：

1、伴随着云计算及人工智能技术的不断兴起，互联网业务量持续增加，对数据中心机房服务器的数据处理能力和存储容量提出了更高的要求。服务器作为数据中心的基本数据处理单元，其工作负荷也越来越大，尤其是服务器内部的中央处理器芯片、图形处理器部件，其工作负载电流急剧攀升，单颗中央处理器芯片的工作电流已达300a至600a。目前，单颗gpu的功耗已攀升至千瓦级别，而供电电压仅为几伏，对应电流高达上千安培，这对服务器供电系统提出了前所未有的挑战。

2、在现有的服务器供电架构中，通常采用电源供应单元输出12v直流电至电源分配主板，再经电源分配主板分配至各用电部件，例如中央处理器芯片、内存、图形处理器等。电源供应单元与电源分配主板之间通常通过金手指与连接器插接的方式实现电气连接。以典型的机架服务器为例，服务器单元（如计算节点）与电源供应模块之间多分别利用缆线进行连接，以统一由电源供应模块提供各服务器单元所需的电力。

3、然而，上述传统供电方案在应对ai服务器日益增长的功耗需求时，暴露出以下突出问题：

4、（1）供电路径过长导致线路损耗剧增。现有供电系统中，供电电源至gpu或cpu的主供电电路通常采用线缆供电或铜排供电，供电链路长。随着电流增大，供电链路越长则线路损耗越大。在相同电流下，线路越长则线内阻抗越大，导致发热量急剧增加。若采用较大截面积线缆或铜排来降低阻抗，其体积、重量和成本将不可估量，且效率不高。

5、（2）电源与主板互联处存在通流瓶颈。传统的电源供应单元通常仅设置一层金手指，通过单个连接器与电源分配主板对接。随着整机功耗增加，流经该互联位置的电流持续增大，单层金手指结构存在通流能力不足的问题。

6、（3）电源分配主板的pcb铜箔通流能力受限。由于cpu的公共系统接口总线信号、高速串行计算机扩展总线标准信号等占据了电源分配主板的大部分空间，留给电流流通的pcb铜箔空间十分有限。若增加板层来提升通流能力，将带来电源分配主板成本的大幅增加以及机箱结构的调整。

7、（4）机架内缆线布局杂乱，空间利用率低。采用缆线连接各服务器单元与电源供应模块的方式，势必在机架内部额外提供放置缆线的空间，以及抽取服务器单元时预留给缆线随箱移动的空间，造成机架内空间配置与利用效率不佳。随着服务器单元数量增加，缆线数量亦随之提高，容易因缆线杂乱而妨碍用户操作。

8、针对上述部分问题，已有相关技术提出了改进方案。例如，中国发明专利cn102999139a公开了一种供电装置，其采用依序叠置的第一导电板、绝缘层与第二导电板构成供电模块，并在导电板上插设电源接线柱和输出接脚对，通过输出接脚对与服务器单元上的电极对接来实现供电。该方案虽然省去了部分缆线、提高了机架内的空间利用率，但其供电模块仍沿机架纵轴设置在基座表面，供电方向为水平方向，供电路径仍然较长；且其导电板结构仅有两层，难以满足多电压制式（如5v、3.3v、1v、0.5v等）分层独立供电的需求。

9、又如，中国发明专利cn116820216a公开了一种层叠传导型电源供应单元，通过在电源供应单元壳体内设置层叠的电源母板和电源子卡，将金手指设置为层叠型电流传导结构，以此增加通流能力。然而，该方案本质上仍属于对电源供应单元自身接口的改进，其电源母板与电源子卡之间仍需通过正极母排和负极母排实现电性连接，整体供电路径仍然较长；同时，该方案未能解决从电源分配主板到各用电部件的供电路径上的pcb铜箔通流不足的问题。

10、综上所述，如何在维持现有服务器机箱结构基本不变的前提下，大幅缩短供电路径、降低线路损耗、提升通流能力并满足多电压制式供电需求，同时进一步简化供电系统的空间布局，已成为当前ai服务器供电技术领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本技术提供一种交叠穿插式垂直供电母排及其供电方法，用以解决现有服务器供电系统中供电线路损耗大、供电效率低且难以满足多电压制式集成供电需求的问题。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、一方面，本技术提供一种交叠穿插式垂直供电母排，包括多层导电母排层，各层所述导电母排层沿竖直方向层叠设置，每层所述导电母排层分别对应一个供电电压制式；任意相邻的两层所述导电母排层之间设置绝缘层；

4、各层所述导电母排层上分别设置有沿竖直方向突起的若干个导电柱，所述若干个导电柱包括一个或多个上突起导电柱和一个或多个下突起导电柱，各层所述导电母排层上的下突起导电柱用于与对应的供电电源板上的供电端电性连接，各层所述导电母排层上的上突起导电柱用于与对应的服务器主板上的受电端电性连接；

5、每层所述导电母排层上开设有允许其余导电母排层上的导电柱穿过的避让通孔，所述避让通孔的内径大于穿过的所述导电柱的外径，以使各层所述导电母排层的导电柱互不接触地穿过其余层所述导电母排层。

6、上述技术方案中进一步的，还包括一层或多层冷却板，所述冷却板设置于任意相邻的两层所述导电母排层之间，且所述冷却板与所述导电母排层之间设置所述绝缘层；所述冷却板上对应于各所述导电柱的位置处开设有供所述导电柱穿过的让位孔。

7、更进一步的，所述绝缘层上对应于各所述导电柱和所述避让通孔的位置处开设有供所述导电柱穿过的贯穿孔。

8、进一步的，各层所述导电母排层沿竖直方向的投影面积与所述服务器主板和所述供电电源板的面积相匹配。

9、进一步的，所述避让通孔的内壁与穿过的所述导电柱的外壁之间具有绝缘间隙，所述绝缘间隙填充有绝缘介质或为空气间隙。

10、进一步的，所述冷却板为风冷散热板或液冷散热板，所述冷却板内部设置允许冷却介质流动的均流格栅。

11、进一步的，各层所述导电母排层上的若干个导电柱呈阵列分布，各层所述导电母排层的导电柱数量和分布位置由与其对应的所述供电电压制式的功率和供电位置需求确定。

12、进一步的，所述导电柱与所述导电母排层为一体成型结构或分体连接结构。

13、另一方面，本技术提供一种基于上述的交叠穿插式垂直供电母排实现的供电方法，包括：

14、将所述供电电源板设置于所述服务器主板的正下方，使所述供电电源板的供电端与所述服务器主板的受电端在竖直方向上相对；

15、提供所述交叠穿插式垂直供电母排，所述交叠穿插式垂直供电母排包括多层所述导电母排层，各层所述导电母排层分别对应不同的供电电压制式，相邻两层所述导电母排层之间设置绝缘层，各层所述导电母排层上分别设置有沿竖直方向突起的上突起导电柱和下突起导电柱，各层所述导电母排层上开设有供其余层所述导电母排层的导电柱穿过的避让通孔；

16、将所述交叠穿插式垂直供电母排设置于所述供电电源板与所述服务器主板之间，使各层所述导电母排层的导电柱分别穿过相应层的所述避让通孔，将各层所述导电母排层对应的所述供电电压制式的电能分别传输至所述服务器主板上对应的受电端。

17、上述技术方案中进一步的，所述供电电源板与所述服务器主板背对背设置，所述交叠穿插式垂直供电母排夹设于所述供电电源板与所述服务器主板之间，各层所述导电母排层的导电柱沿竖直方向分别连接对应的所述供电端和所述受电端，以形成竖直方向的供电路径。

18、进一步的，还包括在相邻两层所述导电母排层之间或者在所述导电母排层的最外侧设置冷却板，通过所述冷却板对所述导电母排层进行散热。

19、相比现有技术，本技术至少具有以下有益效果：

20、1、本技术通过设置多层沿竖直方向层叠的导电母排层，使每层导电母排层分别对应一个供电电压制式，并在任意相邻两层导电母排层之间设置绝缘层实现电气隔离，从而能够在同一垂直空间内同时传输多个不同电压制式的电能，避免了为每种电压制式单独设置供电线路所带来的空间浪费和线路复杂性问题。在各层导电母排层上分别设置沿竖直方向突起的上突起导电柱和下突起导电柱，使下突起导电柱与位于下方的供电电源板上的供电端电性连接、上突起导电柱与位于上方的服务器主板上的受电端电性连接，从而在供电电源板与服务器主板之间建立了竖直方向的直连供电路径，大幅缩短了电能传输距离，有效降低了因供电路径过长而产生的线路阻抗和电能损耗。同时，通过在每层导电母排层上开设允许其余导电母排层上的导电柱穿过的避让通孔，且避让通孔的内径大于穿过的导电柱的外径，使得各层导电母排层的导电柱能够互不接触地穿过其余层导电母排层，既实现了多层母排在竖直方向上的紧密交叠布置以节省空间，又保证了各电压制式供电回路之间的电气独立性和安全性，从而在有限的空间内实现了多电压制式大电流的低损耗、高效率供电。

21、2、本技术通过在任意相邻的两层导电母排层之间设置一层或多层冷却板，并在冷却板与导电母排层之间设置绝缘层，同时在冷却板上对应于各导电柱的位置处开设供导电柱穿过的让位孔，使得冷却板能够嵌入母排叠层结构内部而不影响各层导电母排层的电气连接和绝缘性能。由于导电母排层在传输大电流时会产生显著的热量，而热量累积会导致母排温度升高，进而使母排材料的电阻率增大、导电内阻增加，通过将冷却板直接设置于相邻导电母排层之间能够对发热源进行近距离、高效率的散热，及时带走母排层工作时产生的热量，降低母排材料的电阻率，进一步减小导电内阻和电能损耗，提升供电效率，同时防止母排因过热而影响结构稳定性和使用寿命。

22、3、本技术通过在绝缘层上对应于各导电柱和避让通孔的位置处开设供导电柱穿过的贯穿孔，使得各层导电母排层的导电柱能够无障碍地穿过绝缘层，既保证了相邻导电母排层之间通过绝缘层实现可靠的电气隔离，又避免了绝缘层对导电柱穿插路径的阻挡，确保了多层母排交叠穿插结构的顺利组装和导电柱与对应供电端/受电端的准确对位连接，提高了装配效率和连接可靠性。

23、4、本技术通过将各层导电母排层沿竖直方向的投影面积设置为与服务器主板和供电电源板的面积相匹配，使得整个垂直供电母排在水平面上的占地面积不超过服务器主板和供电电源板的面积，无需额外占用服务器机箱内的水平空间。

24、5、本技术通过在避让通孔的内壁与穿过的导电柱的外壁之间设置绝缘间隙，并使该绝缘间隙填充绝缘介质或保持为空气间隙，使得穿过避让通孔的导电柱与该导电母排层之间在电气上完全隔离。由于空气和绝缘介质均具有较高的绝缘电阻，该绝缘间隙能够有效防止不同电压制式的导电柱与所穿过的导电母排层之间发生漏电或短路，确保各层导电母排层之间在多电压制式同时传输时的电气安全性和稳定性，避免了因导电柱意外接触导电母排层而导致的电路故障。

25、6、本技术中冷却板为风冷散热板或液冷散热板，冷却板内部设置允许冷却介质流动的均流格栅，使得冷却介质（空气或冷却液）在流经冷却板时能够通过均流格栅的引导而均匀分布，避免了冷却介质因局部流速不均而导致的散热死角或局部过热问题。均流格栅确保冷却介质能够与冷却板的各个区域进行充分的热交换，从而将各层导电母排层产生的热量均匀、高效地带走，进一步提升了对母排叠层结构的整体散热效果，保证了各层母排在各种负载条件下均能维持较低的工作温度。

26、7、本技术通过将各层导电母排层上的若干个导电柱设置为呈阵列分布，并使各层导电母排层的导电柱数量和分布位置由与其对应的供电电压制式的功率和供电位置需求确定，使得导电柱的配置能够与各电压制式的实际负载功率精准匹配——功率需求越大的电压制式配置越多导电柱以实现多路并联分流，从而降低每个导电柱上的承载电流和接触电阻，减少接触发热和压降；功率需求较小的电压制式则配置相应较少数量的导电柱以避免资源浪费。

27、8、导电柱与导电母排层为一体成型结构或分体连接结构，一体成型结构能够消除导电柱与母排层之间的接触界面，从根本上消除接触电阻和接触发热，提升导电可靠性和大电流承载能力；分体连接结构则便于单独更换和维护。

28、9、本技术通过将供电电源板设置于服务器主板的正下方，使供电电源板的供电端与服务器主板的受电端在竖直方向上相对，并提供交叠穿插式垂直供电母排设置于两者之间，使各层导电母排层的导电柱分别穿过相应层的避让通孔后将各层对应的供电电压制式的电能分别传输至服务器主板上对应的受电端，从而在供电电源板与服务器主板之间建立了多条彼此独立且路径极短的竖直供电路径。由于供电路径的长度直接决定了线路阻抗的大小，路径越短阻抗越小，这种垂直直连结构从根本上大幅缩短了各电压制式的电能传输距离，有效降低了因线路阻抗产生的压降和发热损耗，同时多层导电母排层的交叠穿插结构允许在同一垂直空间内同时传输多个不同电压制式的大电流电能，实现了多电压制式供电的集成化和高效化。

29、10、本技术将供电电源板与服务器主板背对背设置，并将交叠穿插式垂直供电母排夹设于两者之间，使各层导电母排层的导电柱沿竖直方向分别连接对应的供电端和受电端以形成竖直方向的供电路径，由于供电端与受电端之间的直线距离即为电能传输的最短路径，该竖直供电路径的物理长度基本等于供电电源板与服务器主板之间的间隙距离，几乎消除了传统方案中因线缆或铜排水平走线而产生的额外路径长度，从而将线路阻抗和电能损耗降至理论最低值，同时背对背设置使得供电电源板与服务器主板在机械结构上互为支撑，提高了整体结构强度和抗震性。