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(dòng)功能

引言

當(dāng)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(huì)導(dǎo)致一些不利的情況，因?yàn)樵诟咚亠L(fēng)扇葉片存在的情況下，失去動(dòng)力的反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片會(huì)產(chǎn)生有害氣流，從而導(dǎo)致維護(hù)和維修程序也很危險(xiǎn)。為了克服這些不利的氣流和設(shè)備維護(hù)，可以在其中添加一些功能，在風(fēng)扇失去動(dòng)力或從無動(dòng)力狀態(tài)開始旋轉(zhuǎn)時(shí)停止風(fēng)扇。具有這種斷電制動(dòng)（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(dòng)力的風(fēng)扇電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）來實(shí)現(xiàn)PLB功能，從而提高效率，并創(chuàng)造一個(gè)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(dòng)器能夠提供所需的更高安全性和熱效率，并可以簡(jiǎn)化風(fēng)扇設(shè)計(jì)和物流。

風(fēng)扇中的不利氣流和“熱交換”風(fēng)險(xiǎn)

在當(dāng)今的服務(wù)器中，風(fēng)扇模塊中通常包含多個(gè)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(yùn)行，則失去動(dòng)力的風(fēng)扇可能會(huì)因風(fēng)車效應(yīng)而反向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)風(fēng)扇進(jìn)入反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)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(dòng)力和消耗更多功率來補(bǔ)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(duì)風(fēng)扇以“熱插拔”方式進(jìn)行維護(hù)和更換，服務(wù)器不能斷電，對(duì)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(huì)給服務(wù)人員帶來巨大安全風(fēng)險(xiǎn)。為了達(dá)到保護(hù)效果，一些風(fēng)扇模塊加裝了金屬屏障，但這會(huì)增大成本和維護(hù)時(shí)間。

通過防止風(fēng)扇進(jìn)入反向旋轉(zhuǎn)，可以克服風(fēng)扇由于失去動(dòng)力而反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不利氣流，在風(fēng)扇設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)是在主動(dòng)或被動(dòng)斷電時(shí)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

獲取斷電制動(dòng)所需的功率

在風(fēng)扇應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)所需的功率。當(dāng)驅(qū)動(dòng)IC的外部電源斷開或缺失，電機(jī)會(huì)因外力或慣性而旋轉(zhuǎn)，此時(shí)風(fēng)扇電機(jī)本身可以用作發(fā)電機(jī)?？梢岳秒姍C(jī)的反電動(dòng)勢(shì)電壓，用以產(chǎn)生足夠電壓使IC產(chǎn)生制動(dòng)功能。因此，當(dāng)風(fēng)扇斷電時(shí)，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(dāng)無動(dòng)力風(fēng)扇因反向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生足夠的BEMF電壓時(shí)，通過施加制動(dòng)，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(dòng)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(duì)具體應(yīng)用進(jìn)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(bǔ)償反向旋轉(zhuǎn)造成的冷卻損失。

實(shí)施斷電制動(dòng)功能

在服務(wù)器風(fēng)扇中實(shí)現(xiàn)PLB功能需要集成幾個(gè)附加組件，包括肖特基二極管、輸入電容和柵極驅(qū)動(dòng)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(huì)使這些組件的集成變得困難。

為了滿足對(duì)維護(hù)安全、高效服務(wù)器冷卻風(fēng)扇的需求，并將設(shè)計(jì)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(gè)全正弦三相無代碼驅(qū)動(dòng)器IC，而A89332是一個(gè)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(jì)，A89331是世界上首款在適合1U服務(wù)器冷卻風(fēng)扇PCB上同時(shí)包含三相BLDC和PLB功能的IC，這兩種器件在實(shí)施斷電制動(dòng)功能時(shí)都不需要肖特基二極管、輸入電容和分立柵極驅(qū)動(dòng)器等多個(gè)外部組件。

這些Allegro IC是通過輸出器件的體二極管對(duì)BEMF電壓進(jìn)行整流，并對(duì)IC的VBB電源電容器充電，該電容器通過反極性保護(hù)二極管與系統(tǒng)電源隔離，最終實(shí)現(xiàn)PLB功能。兩個(gè)引腳專用于PLB功能，其中PLBENB引腳為啟用和禁用PLB功能，當(dāng)VIN引腳上的電壓降至閾值電壓VINTH以下時(shí)，VIN引腳感測(cè)系統(tǒng)電源的缺失并觸發(fā)PLB功能。對(duì)于反極性保護(hù)，可以在VIN引腳上添加一個(gè)串聯(lián)電阻器。當(dāng)系統(tǒng)電源斷開時(shí)，通過將PLBENB直接連接到GND，可以允許電機(jī)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(lán)色標(biāo)記。當(dāng)IC斷電時(shí)，如果發(fā)生旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的BEMF電壓將被利用，并產(chǎn)生足夠的電壓，供IC啟用制動(dòng)功能。  

圖1：A89331的典型應(yīng)用

這些器件中的PLB功能通過制動(dòng)和停止電機(jī)也可改善熱插拔維護(hù)以及相關(guān)的安全問題。當(dāng)風(fēng)扇以輸入功率（VIN）運(yùn)行時(shí)，輸入電源缺失，盡管風(fēng)扇開始減速，但慣性會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這會(huì)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(dòng)器產(chǎn)生脈沖，以調(diào)節(jié)施加制動(dòng)功能所需的最小電壓，從而停止反向運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。當(dāng)VIN低于低輸入閾值（VINTH）時(shí)，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(dòng)器的功率，并給與制動(dòng)器足夠的脈沖力，使風(fēng)扇減速，同時(shí)為另一個(gè)制動(dòng)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(dòng)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不再快到足以提高電壓時(shí)，VBB降至VBBTH以下，電機(jī)進(jìn)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(dòng)量被轉(zhuǎn)換為VBB功率，VBB功率采用脈寬調(diào)制制動(dòng)，然后是滯后增壓制動(dòng)，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(dòng)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(duì)于安全、高效和經(jīng)濟(jì)高效的冷卻解決方案的需求在不斷增長(zhǎng)，這尤其體現(xiàn)在大型服務(wù)器等應(yīng)用場(chǎng)景。為了實(shí)現(xiàn)更為顯著的能源節(jié)約和相應(yīng)的成本降低，當(dāng)今的大型多服務(wù)器設(shè)施將會(huì)從風(fēng)扇模塊的實(shí)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(dòng)力的風(fēng)扇。

在Allegro A89331和A89332等器件中實(shí)現(xiàn)的PLB功能可以提高整個(gè)系統(tǒng)的能效。在采用多個(gè)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(huì)對(duì)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(gè)安全運(yùn)行環(huán)境，剩余的正常風(fēng)扇不必施加更大的驅(qū)動(dòng)，并消耗更多的功率來彌補(bǔ)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(shí)現(xiàn)高效、低振動(dòng)、小PCB尺寸的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。Allegro 的A89331和A89332是服務(wù)器冷卻風(fēng)扇市場(chǎng)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并加快上市時(shí)間，而單一組件解決方案也能夠簡(jiǎn)化物流，并縮短開發(fā)時(shí)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(jì)中提供了最高級(jí)別集成，并為服務(wù)器冷卻風(fēng)扇集成了PLB功能。