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作者：Allegro? MicroSystems, LLC 的戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān) Mark Gaboriault、
系統(tǒng)工程師 Alexander Latham 和
營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Thomas Rowan，
為降低數(shù)據(jù)中心的能耗而使用的電源管理方法和三相BLDC冷卻風(fēng)扇。本文主要討論新興節(jié)能策略并介紹支持這些技術(shù)的Allegro產(chǎn)品。
簡(jiǎn)介
隨著全球計(jì)算機(jī)服務(wù)器機(jī)群的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)流量的激增，這些基礎(chǔ)設(shè)施消耗全球能量的速度也越來(lái)越快。據(jù)估計(jì)，全球’ 500,000 個(gè)數(shù)字中心和 3200 萬(wàn)個(gè)個(gè)人服務(wù)器所消耗的電力占全球電力的 1.5%，—約每年300 TWh（參考 1）。
在效能大幅提高之后，挑戰(zhàn)隨之轉(zhuǎn)移到服務(wù)器元件的電源和熱量管理，尤其是板載冷卻風(fēng)扇，其能耗占服務(wù)器總能耗的 10% 至 15%（參考 2）。
近期先進(jìn)的一體化控制電子元件允許通過(guò)本地閉環(huán)來(lái)控制服務(wù)器的電源供給和元件內(nèi)需求。這些先進(jìn)的元件還允許風(fēng)扇從傳統(tǒng)的單相 BLDC（無(wú)刷直流）電動(dòng)機(jī)遷移至高效率的三相 BLDC 電動(dòng)機(jī)，效率改善達(dá) 25%。
電子元件為服務(wù)器器件在最大限度減少熱量排放、能耗或物理尺寸上提供了并不昂貴的解決方案。某些器件（如 Allegro MicroSystems A4942 三相無(wú)傳感器風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片）甚至能夠裝到迷你導(dǎo)管風(fēng)扇的中心電路板。中心電路板是有效寬度只有 5 毫米的小環(huán)形板，用于容納轉(zhuǎn)子軸（圖 1）。監(jiān)視器 IC（如 ACS761）允許監(jiān)視及控制電流與功率，在單個(gè)服務(wù)器刀片級(jí)別上實(shí)現(xiàn)熱交換管理。
圖 1 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架安裝式服務(wù)器及刀片服務(wù)器的風(fēng)扇管理、電流感應(yīng)、熱交換管理和 PoS 調(diào)節(jié)應(yīng)用。
節(jié)能策略
最新的服務(wù)器提供數(shù)種新節(jié)能方法，通常可在一年內(nèi)快速回收轉(zhuǎn)換成本。—例如，微處理器以較小封裝提供更高的輸出量，消耗更少的能源和產(chǎn)生更少的熱量。
通過(guò)對(duì)各個(gè)熱來(lái)源（主要是電源供給和刀片處理器及其機(jī)殼）的研究，散熱設(shè)計(jì)和元件布局得到優(yōu)化，通過(guò)溝型護(hù)罩引導(dǎo)層狀氣流通過(guò)這些關(guān)鍵區(qū)域。從而完善在以下流動(dòng)路徑中布置成串聯(lián)或并行陣列的較新的高效率引導(dǎo)微型（少于 40 毫米）串聯(lián)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)組件。
為提高氣流效率和盡可能減少尺寸，兩個(gè)集成風(fēng)扇串聯(lián)在一起，以共用相同的管道。但是，這兩個(gè)風(fēng)扇在安裝軸和驅(qū)動(dòng)電子元件方面完全獨(dú)立。雖然模塊化控制有其優(yōu)勢(shì)，但對(duì)無(wú)感風(fēng)扇的穩(wěn)定啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一些影響：在沒(méi)有外界干擾的情況下，一個(gè)風(fēng)扇將先啟動(dòng)，產(chǎn)生的氣流會(huì)降低另一個(gè)風(fēng)扇動(dòng)力并影響開(kāi)環(huán)控制的啟動(dòng)順序。
類(lèi)似問(wèn)題也會(huì)出現(xiàn)在風(fēng)扇尚未停止轉(zhuǎn)動(dòng)前就重啟電機(jī)。過(guò)去為了避免這種現(xiàn)象，必須在兩個(gè)風(fēng)扇完全停止后方可重啟電機(jī)。新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC包含自適應(yīng)啟動(dòng)算法，可以理解電機(jī)此時(shí)是受串聯(lián)的風(fēng)扇葉片產(chǎn)生的氣流驅(qū)動(dòng)，還是電機(jī)和風(fēng)扇自上個(gè)功率周期就已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。此類(lèi)先進(jìn)的IC可以修改啟動(dòng)順序并允許兩個(gè)風(fēng)扇在功率周期中以最大效率同步工作。
繼氣流優(yōu)化后，要求改進(jìn) PID 控制系統(tǒng)以優(yōu)化風(fēng)扇的速度和空轉(zhuǎn)時(shí)間。許多服務(wù)器的使用時(shí)間都非常短。低功率模式或者帶自動(dòng)開(kāi)機(jī)功能的休眠模式可降低風(fēng)扇在低需求期間的能耗。
這點(diǎn)可通過(guò)在服務(wù)器（對(duì)于低電流板載應(yīng)用）或供電線（對(duì)于高側(cè)電流感應(yīng)）的打印電路板上安裝電流感應(yīng) IC，從而監(jiān)視元件工作時(shí)的電流消耗來(lái)完成。這些緊湊的 IC 使用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)電流，無(wú)需檢測(cè)電阻，消除了熱量損耗。例如，（Allegro ACS758 中的）集成導(dǎo)體只有 100 μΩ 電阻，低于典型的感應(yīng)電阻，從而大幅降低能耗。
此技術(shù)還在緊湊的封裝中提供絕緣電流感應(yīng)，為閉環(huán)反饋提供低電壓輸出信號(hào)。與先進(jìn)的 PWM 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器一同使用，這些器件可以控制電源電流浪涌和確保直接控制閉環(huán)風(fēng)扇速度，以保持氣流速度一致及與實(shí)際冷卻要求成正比例。
此外，由于不需要加大電動(dòng)機(jī)的尺寸以補(bǔ)償較大的電動(dòng)機(jī)扭矩和速度變化，因此，還可以節(jié)省材料成本。電動(dòng)機(jī)之間的電氣特性通常相差 10% 以上。而且，電動(dòng)機(jī)所在的本地環(huán)境的電力供應(yīng)和負(fù)荷以及冷卻液流動(dòng)與鄰近熱源的熱負(fù)荷也有較大的差異。
先進(jìn)的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和熱插拔電流檢控IC可以抑制電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。新的器件類(lèi)型應(yīng)用軟啟動(dòng) PWM 電流上升技術(shù)，允許設(shè)計(jì)師優(yōu)化浪涌電流和功率周期次數(shù)（圖 2）。
圖 2 軟啟動(dòng)降低浪涌電流的作用
此示例的測(cè)試器件是 A4942，——有數(shù)項(xiàng)高級(jí)功能，可以在轉(zhuǎn)子位置定義的時(shí)間之前使電動(dòng)機(jī)相繞組帶電，從而獲得更高的效率。
這種相位提前技術(shù)可確保相繞組在電機(jī)的正向轉(zhuǎn)矩為最高效時(shí)達(dá)到要求的電流級(jí)別，從而提高電機(jī)效率。請(qǐng)注意，開(kāi)機(jī)和停機(jī)條件相同，但是軟啟動(dòng)可以大幅降低最大電流。在啟動(dòng) - 關(guān)閉風(fēng)扇應(yīng)用中，較長(zhǎng)的通電時(shí)間影響不大，可以通過(guò)編程以補(bǔ)償電源浪涌。
一體化熱交換管理
現(xiàn)有的刀片服務(wù)器技術(shù)致力于通過(guò)模塊化技術(shù)，在存儲(chǔ)器和處理器之外安裝非板載的供電電源和冷卻風(fēng)扇，從而消除之間的差異。但是，熱插拔存在很大的隱患。內(nèi)置熱插拔控制的電流傳感器可以很好地管理機(jī)電連接器在通斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流。外置FET的軟啟動(dòng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱插拔電源浪涌的控制及限流。通過(guò)控制電源連接時(shí)的FET開(kāi)啟時(shí)間，熱插拔電流傳感器IC（在此示例中是ACS761）使浪涌電流從32A降低到了12A。
圖 3 熱交換電流浪涌抑制模擬
熱插拔管理會(huì)影響服務(wù)器中其他元器件的設(shè)計(jì)。它降低了元器件對(duì)于高浪涌電流級(jí)別的額定要求。而且通過(guò)整合電流和電源的限制，熱插拔IC不僅最大限度地減少了UL60950規(guī)定的絕緣電路板面積，還能提供短路保護(hù)。
三相電動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)
盡管單相 BLDC 電動(dòng)機(jī)的成本比三相電動(dòng)機(jī)低，但是隨著能源成本不斷攀升，三相電動(dòng)機(jī)通過(guò)其更高的能效抵銷(xiāo)了這部分成本。單相 BLDC 電動(dòng)機(jī)和三相 BLDC 電動(dòng)機(jī)的能效一般相差大約 25%。
在設(shè)計(jì)上，使用電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)等技術(shù)降低啟動(dòng)時(shí)來(lái)自供應(yīng)電源的電流浪涌以進(jìn)一步降低成本。減少浪涌電流也允許使用更小的FET 和降低供電電源成本。
與經(jīng)優(yōu)化的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器一同使用，功率調(diào)節(jié)技術(shù)可以優(yōu)化服務(wù)器內(nèi)各種元件和系統(tǒng)的工作。QFN尺寸的DC-DC提供集成了先進(jìn)功能的電源點(diǎn)管理，如為提高效率而使用的同步整流、最小可控開(kāi)啟時(shí)間、及在服務(wù)器中普遍需要的優(yōu)化高邊-底邊FET的RDS(ON)比率以優(yōu)化VIN-VOUT比率。這些功能可提供穩(wěn)健的容差功率管理以克服不同的工作條件，和檢測(cè)及報(bào)告各種故障情況。
具有高級(jí)整合電路控件及監(jiān)視功能的三相 BLDC 電動(dòng)機(jī)可提供巨大的效率增益，為未來(lái)改進(jìn)提供方法。這些技術(shù)可以應(yīng)用到子系統(tǒng)級(jí)別，因此，他們可以擴(kuò)展到 DG（分布式發(fā)電）和 CHP（熱電聯(lián)供）系統(tǒng)。通過(guò)改進(jìn)的電子評(píng)估技術(shù)，這些器件可增強(qiáng)服務(wù)器系統(tǒng)與智能電網(wǎng)系統(tǒng)的微電網(wǎng)整合。
參考：
1. Biello, David, Can Facebook Show How to Reduce the Growing Energy Use of the Internet? Scientific American, August 3, 2012.
2. Neudorfer, Julius, How to Optimize the Energy Efficiency of Your Server, eWeek, March 5, 2009.
最早由 Power Systems Design 在 2012 年 12 月發(fā)布。在其允許下重印。
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