可降低數(shù)據(jù)中心風扇應用能耗和成本的集成式斷電制動功能

引言

當代服務器應用需要提供不間斷的服務，要滿足這一要求可能會導致一些不利的情況，因為在高速風扇葉片存在的情況下，失去動力的反向旋轉(zhuǎn)風扇葉片會產(chǎn)生有害氣流，從而導致維護和維修程序也很危險。為了克服這些不利的氣流和設備維護，可以在其中添加一些功能，在風扇失去動力或從無動力狀態(tài)開始旋轉(zhuǎn)時停止風扇。具有這種斷電制動（PLB）功能的風扇可以降低能源成本并提高熱效率。本文將討論如何利用失去動力的風扇電機產(chǎn)生的反電動勢（BEMF）來實現(xiàn)PLB功能，從而提高效率，并創(chuàng)造一個更安全的操作環(huán)境。Allegro新推出的具有PLB功能的無傳感器風扇驅(qū)動器能夠提供所需的更高安全性和熱效率，并可以簡化風扇設計和物流。

風扇中的不利氣流和“熱交換”風險

在當今的服務器中，風扇模塊中通常包含多個風扇，以確保電子設備保持涼爽。如果模塊內(nèi)的任何風扇未通電且無法運行，則失去動力的風扇可能會因風車效應而反向旋轉(zhuǎn)。當風扇進入反向旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生不利的氣流，從而降低風扇模塊的效率，剩余的正常風扇必須通過加大驅(qū)動力和消耗更多功率來補償冷卻損失。為了滿足服務器的不間斷冷卻的需要，通常需要對風扇以“熱插拔”方式進行維護和更換，服務器不能斷電，對于正在工作的風扇，其鋒利葉片可能以接近30000 RPM的速度旋轉(zhuǎn)，這會給服務人員帶來巨大安全風險。為了達到保護效果，一些風扇模塊加裝了金屬屏障，但這會增大成本和維護時間。

通過防止風扇進入反向旋轉(zhuǎn)，可以克服風扇由于失去動力而反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不利氣流，在風扇設計上的挑戰(zhàn)是在主動或被動斷電時實現(xiàn)這一目標。

獲取斷電制動所需的功率

在風扇應用場景下，可以利用斷電的不利影響來產(chǎn)生向風扇施加制動所需的功率。當驅(qū)動IC的外部電源斷開或缺失，電機會因外力或慣性而旋轉(zhuǎn)，此時風扇電機本身可以用作發(fā)電機?？梢岳秒姍C的反電動勢電壓，用以產(chǎn)生足夠電壓使IC產(chǎn)生制動功能。因此，當風扇斷電時，旋轉(zhuǎn)風扇產(chǎn)生的BEMF電壓可以被用來停止風扇本身。

當無動力風扇因反向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生足夠的BEMF電壓時，通過施加制動，PLB功能可以減緩或停止反向旋轉(zhuǎn)。由于反向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生足夠BEMF電壓，任何無動力風扇都可以通過PLB功能減慢或停止反向旋轉(zhuǎn)。PLB功能可根據(jù)BEMF電壓水平針對具體應用進行定制，可不再需要其它正常工作的風扇加大旋轉(zhuǎn)和消耗更多功率，以補償反向旋轉(zhuǎn)造成的冷卻損失。

實施斷電制動功能

在服務器風扇中實現(xiàn)PLB功能需要集成幾個附加組件，包括肖特基二極管、輸入電容和柵極驅(qū)動器。因此，該解決方案包含一些折衷因素：物料清單（BOM）的增加使物流變得復雜，服務器冷卻風扇的尺寸限制可能會使這些組件的集成變得困難。

為了滿足對維護安全、高效服務器冷卻風扇的需求，并將設計和物流挑戰(zhàn)降至最低，全新的IC已經(jīng)推出。Allegro 新發(fā)布的A89331是一個全正弦三相無代碼驅(qū)動器IC，而A89332是一個完全正弦三相無代碼柵極控制器IC。兩者都是為服務器冷卻風扇應用而設計，A89331是世界上首款在適合1U服務器冷卻風扇PCB上同時包含三相BLDC和PLB功能的IC，這兩種器件在實施斷電制動功能時都不需要肖特基二極管、輸入電容和分立柵極驅(qū)動器等多個外部組件。

這些Allegro IC是通過輸出器件的體二極管對BEMF電壓進行整流，并對IC的VBB電源電容器充電，該電容器通過反極性保護二極管與系統(tǒng)電源隔離，最終實現(xiàn)PLB功能。兩個引腳專用于PLB功能，其中PLBENB引腳為啟用和禁用PLB功能，當VIN引腳上的電壓降至閾值電壓VINTH以下時，VIN引腳感測系統(tǒng)電源的缺失并觸發(fā)PLB功能。對于反極性保護，可以在VIN引腳上添加一個串聯(lián)電阻器。當系統(tǒng)電源斷開時，通過將PLBENB直接連接到GND，可以允許電機旋轉(zhuǎn)，從而禁用PLB功能。Allegro A89331的典型應用如圖1所示，其中與PLB功能相關的引腳和外部組件以藍色標記。當IC斷電時，如果發(fā)生旋轉(zhuǎn)，電機的BEMF電壓將被利用，并產(chǎn)生足夠的電壓，供IC啟用制動功能。  

圖1：A89331的典型應用

這些器件中的PLB功能通過制動和停止電機也可改善熱插拔維護以及相關的安全問題。當風扇以輸入功率（VIN）運行時，輸入電源缺失，盡管風扇開始減速，但慣性會導致風扇電機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這會導致電源電壓（VBB）降低速度低于VIN。Allegro的專利PLB功能使制動器產(chǎn)生脈沖，以調(diào)節(jié)施加制動功能所需的最小電壓，從而停止反向運動，如圖2所示。當VIN低于低輸入閾值（VINTH）時，VBB電源用于施加PLB。然后，風扇減速至最低水平，在該水平下，它仍然可以產(chǎn)生施加到制動器的功率，并給與制動器足夠的脈沖力，使風扇減速，同時為另一個制動器脈沖保持盡可能多的功率。這種方法類似于滯后升壓轉(zhuǎn)換器操作，它允許IC以比其他方法慢得多的速度來制動電機。當電機轉(zhuǎn)速不再快到足以提高電壓時，VBB降至VBBTH以下，電機進入滑行狀態(tài)。如果風扇從該狀態(tài)旋轉(zhuǎn)，則施加PLB功能，如圖3所示，其中從外力獲得的動量被轉(zhuǎn)換為VBB功率，VBB功率采用脈寬調(diào)制制動，然后是滯后增壓制動，以便有效地使風扇減速，直到VBB降至低于為PLB供電所需的低閾值。

Allegro A89331和A89332都集成有這種PLB功能，旨在為12V系統(tǒng)提供高效、低振動和高速度。這些器件中內(nèi)嵌的高集成度算法不再需要外部MCU，從而最大限度地減少了外部組件，是一種成本更低、系統(tǒng)尺寸更小的PLB解決方案。 

圖2：斷電之后Allegro PLB應用示意圖 

圖3：從斷電狀態(tài)開始的Allegro PLB應用

絕佳解決方案

業(yè)界對于安全、高效和經(jīng)濟高效的冷卻解決方案的需求在不斷增長，這尤其體現(xiàn)在大型服務器等應用場景。為了實現(xiàn)更為顯著的能源節(jié)約和相應的成本降低，當今的大型多服務器設施將會從風扇模塊的實施中獲得一連串的好處，可以使風扇冷卻系統(tǒng)在不影響氣流的情況下減慢或停止失去動力的風扇。

在Allegro A89331和A89332等器件中實現(xiàn)的PLB功能可以提高整個系統(tǒng)的能效。在采用多個風扇冷卻系統(tǒng)的服務器中，如果任何斷電風扇開始反向旋轉(zhuǎn)，可以使其停止或減速，從而不會對系統(tǒng)整體氣流效率產(chǎn)生不利影響，由此可以創(chuàng)建一個安全運行環(huán)境，剩余的正常風扇不必施加更大的驅(qū)動，并消耗更多的功率來彌補故障風扇由于反向旋轉(zhuǎn)而造成的冷卻損失。

Allegro解決方案可以實現(xiàn)高效、低振動、小PCB尺寸的簡單設計。Allegro 的A89331和A89332是服務器冷卻風扇市場上唯一具有PLB功能的無代碼三相BLDC解決方案。由于不需要軟件開發(fā)，因而可簡化設計，并加快上市時間，而單一組件解決方案也能夠簡化物流，并縮短開發(fā)時間。這些牢固可靠的器件可提供安全的“熱插拔”功能，在面積最小的PCB設計中提供了最高級別集成，并為服務器冷卻風扇集成了PLB功能。