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作者：Allegro? MicroSystems, LLC 的戰略營銷總監 Mark Gaboriault、
 系統工程師 Alexander Latham 和
 營銷經理 Thomas Rowan，

為降低數據中心的能耗而使用的電源管理方法和三相BLDC冷卻風扇。本文主要討論新興節能策略并介紹支持這些技術的Allegro產品。
 

簡介

隨著全球計算機服務器機群的發展和互聯網流量的激增，這些基礎設施消耗全球能量的速度也越來越快。據估計，全球’ 500,000 個數字中心和 3200 萬個個人服務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，挑戰隨之轉移到服務器元件的電源和熱量管理，尤其是板載冷卻風扇，其能耗占服務器總能耗的 10% 至 15%（參考 2）。

近期先進的一體化控制電子元件允許通過本地閉環來控制服務器的電源供給和元件內需求。這些先進的元件還允許風扇從傳統的單相 BLDC（無刷直流）電動機遷移至高效率的三相 BLDC 電動機，效率改善達 25%。

電子元件為服務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 三相無傳感器風扇電動機驅動器芯片）甚至能夠裝到迷你導管風扇的中心電路板。中心電路板是有效寬度只有 5 毫米的小環形板，用于容納轉子軸（圖 1）。監視器 IC（如 ACS761）允許監視及控制電流與功率，在單個服務器刀片級別上實現熱交換管理。

圖 1 標準機架安裝式服務器及刀片服務器的風扇管理、電流感應、熱交換管理和 PoS 調節應用。

節能策略

最新的服務器提供數種新節能方法，通常可在一年內快速回收轉換成本。—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生更少的熱量。

通過對各個熱來源（主要是電源供給和刀片處理器及其機殼）的研究，散熱設計和元件布局得到優化，通過溝型護罩引導層狀氣流通過這些關鍵區域。從而完善在以下流動路徑中布置成串聯或并行陣列的較新的高效率引導微型（少于 40 毫米）串聯風扇電動機組件。

為提高氣流效率和盡可能減少尺寸，兩個集成風扇串聯在一起，以共用相同的管道。但是，這兩個風扇在安裝軸和驅動電子元件方面完全獨立。雖然模塊化控制有其優勢，但對無感風扇的穩定啟動會產生一些影響：在沒有外界干擾的情況下，一個風扇將先啟動，產生的氣流會降低另一個風扇動力并影響開環控制的啟動順序。

類似問題也會出現在風扇尚未停止轉動前就重啟電機。過去為了避免這種現象，必須在兩個風扇完全停止后方可重啟電機。新型電機驅動IC包含自適應啟動算法，可以理解電機此時是受串聯的風扇葉片產生的氣流驅動，還是電機和風扇自上個功率周期就已經開始運轉。此類先進的IC可以修改啟動順序并允許兩個風扇在功率周期中以最大效率同步工作。

繼氣流優化后，要求改進 PID 控制系統以優化風扇的速度和空轉時間。許多服務器的使用時間都非常短。低功率模式或者帶自動開機功能的休眠模式可降低風扇在低需求期間的能耗。

這點可通過在服務器（對于低電流板載應用）或供電線（對于高側電流感應）的打印電路板上安裝電流感應 IC，從而監視元件工作時的電流消耗來完成。這些緊湊的 IC 使用霍爾效應測量磁場電流，無需檢測電阻，消除了熱量損耗。例如，（Allegro ACS758 中的）集成導體只有 100 μΩ 電阻，低于典型的感應電阻，從而大幅降低能耗。 

此技術還在緊湊的封裝中提供絕緣電流感應，為閉環反饋提供低電壓輸出信號。與先進的 PWM 電動機驅動器一同使用，這些器件可以控制電源電流浪涌和確保直接控制閉環風扇速度，以保持氣流速度一致及與實際冷卻要求成正比例。

此外，由于不需要加大電動機的尺寸以補償較大的電動機扭矩和速度變化，因此，還可以節省材料成本。電動機之間的電氣特性通常相差 10% 以上。而且，電動機所在的本地環境的電力供應和負荷以及冷卻液流動與鄰近熱源的熱負荷也有較大的差異。

先進的PWM電機驅動器和熱插拔電流檢控IC可以抑制電機啟動時的浪涌電流。新的器件類型應用軟啟動 PWM 電流上升技術，允許設計師優化浪涌電流和功率周期次數（圖 2）。

圖 2 軟啟動降低浪涌電流的作用

此示例的測試器件是 A4942，——有數項高級功能，可以在轉子位置定義的時間之前使電動機相繞組帶電，從而獲得更高的效率。

這種相位提前技術可確保相繞組在電機的正向轉矩為最高效時達到要求的電流級別，從而提高電機效率。請注意，開機和停機條件相同，但是軟啟動可以大幅降低最大電流。在啟動 - 關閉風扇應用中，較長的通電時間影響不大，可以通過編程以補償電源浪涌。

一體化熱交換管理
 

現有的刀片服務器技術致力于通過模塊化技術，在存儲器和處理器之外安裝非板載的供電電源和冷卻風扇，從而消除之間的差異。但是，熱插拔存在很大的隱患。內置熱插拔控制的電流傳感器可以很好地管理機電連接器在通斷時產生的浪涌電流。外置FET的軟啟動可實現對熱插拔電源浪涌的控制及限流。通過控制電源連接時的FET開啟時間，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

熱插拔管理會影響服務器中其他元器件的設計。它降低了元器件對于高浪涌電流級別的額定要求。而且通過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規定的絕緣電路板面積，還能提供短路保護。

三相電動機優勢

盡管單相 BLDC 電動機的成本比三相電動機低，但是隨著能源成本不斷攀升，三相電動機通過其更高的能效抵銷了這部分成本。單相 BLDC 電動機和三相 BLDC 電動機的能效一般相差大約 25%。

在設計上，使用電動機軟啟動等技術降低啟動時來自供應電源的電流浪涌以進一步降低成本。減少浪涌電流也允許使用更小的FET 和降低供電電源成本。

與經優化的電動機驅動器一同使用，功率調節技術可以優化服務器內各種元件和系統的工作。QFN尺寸的DC-DC提供集成了先進功能的電源點管理，如為提高效率而使用的同步整流、最小可控開啟時間、及在服務器中普遍需要的優化高邊-底邊FET的RDS(ON)比率以優化VIN-VOUT比率。這些功能可提供穩健的容差功率管理以克服不同的工作條件，和檢測及報告各種故障情況。

具有高級整合電路控件及監視功能的三相 BLDC 電動機可提供巨大的效率增益，為未來改進提供方法。這些技術可以應用到子系統級別，因此，他們可以擴展到 DG（分布式發電）和 CHP（熱電聯供）系統。通過改進的電子評估技術，這些器件可增強服務器系統與智能電網系統的微電網整合。

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 月發布。在其允許下重印。
 版權 ?2012 Power Systems Design 保留所有權利。
 部分內容的版權非 Power Systems Design 所有，版權 2013 Allegro MicroSystems, LLC

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