《電子技術應用》
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為何如今的服務器應用都在使用54V BLDC電機?

2019-11-21
作者:模擬電源和接口部資深產品營銷經理Miguel Mendoza
來源:Microchip Technology

  大家可能都聽說過“云計算”,但是大多數人對于“云計算”的認識僅限于我們可以通過計算機和智能手機訪問重要數據,至于這些數據實際存儲在什么地方則不必考慮。那么究竟什么是云計算呢?云計算是指負責在全球范圍內存儲和移動數據的許多遠程服務器所構成的網絡,我們可以通過Wi-Fi、LAN或蜂窩網絡來進行訪問。這些遠程服務器的作用類似于大型存儲設備,包含多個服務器集群并安裝在通常稱作服務器農場的倉庫中。這些服務器農場需要處于恒定的環境溫度(最理想的溫度范圍是68至71華氏度),才能發揮最佳性能并最大程度地減少故障。這些服務器農場通常通過中央空調系統降溫,或者通過中央暖氣系統升溫,具體取決于它們所在的位置(例如,常見的辦公區域)。

  服務器機架實際上會通過一系列風扇來冷卻內部的電子元件。我們大多數人應該都有過這種體驗,電子設備在使用過程中會變得越來越熱,最終導致設備無法發揮最佳性能。為了最大程度地削減散熱器的成本與尺寸,我們可以改用無刷直流(BLDC)風扇,借助環境中的氣流來冷卻電子設備,也就是說利用供暖、通風和空調(HVAC)系統保持恒定的環境溫度,然后通過BLDC風扇吹動氣流來冷卻服務器機架中的電子元件。

  在傳統的服務器應用中,通常使用12V BLDC風扇來冷卻機柜中的電子設備。但就像汽車應用一樣,服務器應用往往也會出于某些原因而改用54V BLDC電機。本文將探討服務器制造商采用54V BLDC電機代替傳統12V BLDC電機的兩大主要原因,并論述54V電機驅動應用所需的典型元件以及一些常見的電機控制算法。

  服務器制造商之所以采用54V BLDC電機代替傳統12V BLDC電機,第一點是因為可以使用四分之一的電流,進而可以使用較細的銅線。此外,由于使用較少的原材料便可完成相同的工作量,電機制造商還可以減小電機的尺寸,并因此降低電機的總成本。第二點是因為服務器制造商可以節省昂貴的電纜成本,與使用12V BLDC電機相比,使用54V BLDC電機時相同電源總線規格的電纜可以為四倍數量的電機供電。高壓電機使用較細的電纜或較窄的PCB走線即可獲得相同的功率。

  例如,在450W服務器中,12V BLDC風扇消耗32W。通過功率公式(P= V x I,I = P/V,32W/12V=2.67A)可輕松計算為其供電所需的電流。在功率要求相同的前提下,采用54V BLDC風扇時所需的電流將降至約0.67A,這樣一來,服務器工程師便可以使用26號美國線規(AWG)電線,相比之下,為12V BLDC風扇供電卻需要使用20號AWG電線。在PCB走線寬度方面,12V BLDC風扇需要0.1英寸,而54V BLDC風扇只需要0.012英寸,這樣一來,當服務器工程師將所有電源走線敷設到服務器系統時便可節省大量的電路板面積。

  服務器制造商采用54V BLDC電機還有一個額外的優勢,那就是能夠保證在外形尺寸與傳統12V BLDC電機相同的情況下以更高的轉速運行電機,從而增大空氣密度。不過,增加電機的扭矩功率需要更高的功率,這將需要額外的電流來提供支持。例如,服務器制造商可以使用50W BLDC電機代替傳統的32W電機來實現更大的氣流。采用54V BLDC電機時僅需要0.93A電流,這比12V BLDC電機驅動50W電機所需的電流小得多。如果使用12V BLDC電機來完成相同的工作量,至少需要4.17A電流。這意味著需要使用較寬的PCB走線和較粗的電纜,成本高昂。使用54V總線電壓時,服務器制造商能夠以更高的轉速運行風扇,從而增大氣流密度,同時還能夠降低布線成本。

使用54V電源總線面臨的挑戰

  對于驅動54V BLDC風扇電機的電子設備而言,存在一項挑戰。那就是服務器工程師不能使用舊的12V硬件來驅動54V電機。他們需要使用工作電壓更高的電子元件,以便有足夠的余量適用54V電源。圖1給出了54V BLDC控制電路的簡化框圖,其中標識了在不影響成熟電機控制算法的前提下驅動54V BLDC電機所用的典型元件。

 

圖1:54V BLDC控制電路的簡化框圖(其中標識了在不影響成熟電機控制算法的前提下驅動54V BLDC電機所用的典型元件)

  不過,市場上有幾種硬件解決方案可以幫助簡化這種方案的轉變。例如,Microchip的MIC28514 75V同步降壓穩壓器是一款針對第一階段功率轉換的出色解決方案(圖2)。該器件具有5A輸出電流能力,能夠通過一個54V電源軌為多個BLDC系統供電。MIC28514可將54V電源總線軌轉換為電源效率超過90%的傳統12V電源軌,這樣一來,服務器工程師便可以繼續使用原先的電機控制算法和久經考驗的有源元件。

  

圖2:使用Microchip的MIC28514 75V 5A同步降壓穩壓器時的典型電源效率—輸出電流曲線

  MOSFET驅動器和MOSFET逆變器電路也必須滿足高壓MOSFET的要求,54V BLDC應用通常需要80V功率MOSFET。不過,與12V系統相比,電流要求已降至原先的四分之一,而且MOSFET導通電阻也變得沒那么重要。

圖3:Microchip的MIC4607是一款85V三相MOSFET驅動器,具有自適應死區以及防直通和過流?;?/em>

高壓電子元件使得在服務器應用中選用54V BLDC電機成為可能

  Microchip Technology等芯片制造商現已開發出諸如MIC28514 75V同步降壓穩壓器之類的高壓集成電路,助力客戶利用54V BLDC電機技術,同時依然能夠使用成熟的電機控制算法和其他有源元件。憑借這些高壓器件,服務器制造商可以采用54V電源總線技術,并因此能夠在PCB板上使用更小的電機、更細的銅線和更窄的布線,從而降低系統總成本。此外,由于電壓增加,這些器件還能以相同的外形尺寸增大空氣密度。隨著云計算的逐漸普及以及云計算功能的不斷完善,服務器制造商必須采用價格最為合理、性能最為優異的解決方案,才能在價格戰與性能戰中保持競爭力。


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