可降低數(shù)據(jù)中心風(fēng)扇應(yīng)用能耗和成本的集成式斷電制動功能

引言

當代服務(wù)器應(yīng)用需要提供不間斷的服務(wù)，要滿足這一要求可能會導(dǎo)致一些不利的情況，因為在高速風(fēng)扇葉片存在的情況下，失去動力的反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片會產(chǎn)生有害氣流，從而導(dǎo)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(shè)備維護，可以在其中添加一些功能，在風(fēng)扇失去動力或從無動力狀態(tài)開始旋轉(zhuǎn)時停止風(fēng)扇。具有這種斷電制動（PLB）功能的風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)扇設(shè)計和物流。

風(fēng)扇中的不利氣流和“熱交換”風(fēng)險

在當今的服務(wù)器中，風(fēng)扇模塊中通常包含多個風(fēng)扇，以確保電子設(shè)備保持涼爽。如果模塊內(nèi)的任何風(fēng)扇未通電且無法運行，則失去動力的風(fēng)扇可能會因風(fēng)車效應(yīng)而反向旋轉(zhuǎn)。當風(fēng)扇進入反向旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生不利的氣流，從而降低風(fēng)扇模塊的效率，剩余的正常風(fēng)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(wù)器的不間斷冷卻的需要，通常需要對風(fēng)扇以“熱插拔”方式進行維護和更換，服務(wù)器不能斷電，對于正在工作的風(fēng)扇，其鋒利葉片可能以接近30000 RPM的速度旋轉(zhuǎn)，這會給服務(wù)人員帶來巨大安全風(fēng)險。為了達到保護效果，一些風(fēng)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(fēng)扇進入反向旋轉(zhuǎn)，可以克服風(fēng)扇由于失去動力而反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不利氣流，在風(fēng)扇設(shè)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(fēng)扇應(yīng)用場景下，可以利用斷電的不利影響來產(chǎn)生向風(fēng)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(fēng)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(fēng)扇斷電時，旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇產(chǎn)生的BEMF電壓可以被用來停止風(fēng)扇本身。

當無動力風(fēng)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(fēng)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(yīng)用進行定制，可不再需要其它正常工作的風(fēng)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(wù)器風(fēng)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(fù)雜，服務(wù)器冷卻風(fēng)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(wù)器冷卻風(fēng)扇的需求，并將設(shè)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(wù)器冷卻風(fēng)扇應(yīng)用而設(shè)計，A89331是世界上首款在適合1U服務(wù)器冷卻風(fēng)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(yīng)用如圖1所示，其中與PLB功能相關(guān)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(yīng)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(guān)的安全問題。當風(fēng)扇以輸入功率（VIN）運行時，輸入電源缺失，盡管風(fēng)扇開始減速，但慣性會導(dǎo)致風(fēng)扇電機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這會導(dǎo)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)用示意圖 

圖3：從斷電狀態(tài)開始的Allegro PLB應(yīng)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(wù)器等應(yīng)用場景。為了實現(xiàn)更為顯著的能源節(jié)約和相應(yīng)的成本降低，當今的大型多服務(wù)器設(shè)施將會從風(fēng)扇模塊的實施中獲得一連串的好處，可以使風(fēng)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(fēng)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(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的服務(wù)器中，如果任何斷電風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(shè)計。Allegro 的A89331和A89332是服務(wù)器冷卻風(fēng)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(shè)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(shè)計中提供了最高級別集成，并為服務(wù)器冷卻風(fēng)扇集成了PLB功能。