服務器應用選用54V BLDC電機的兩大主要原因分析

大家可能都聽說過“云計算”，但是大多數(shù)人對于“云計算”的認識僅限于我們可以通過計算機和智能手機訪問重要數(shù)據(jù)，至于這些數(shù)據(jù)實際存儲在什么地方則不必考慮。那么究竟什么是云計算呢？云計算是指負責在全球范圍內(nèi)存儲和移動數(shù)據(jù)的許多遠程服務器所構成的網(wǎng)絡，我們可以通過Wi-Fi?、LAN或蜂窩網(wǎng)絡來進行訪問。這些遠程服務器的作用類似于大型存儲設備，包含多個服務器集群并安裝在通常稱作服務器農(nóng)場的倉庫中。這些服務器農(nóng)場需要處于恒定的環(huán)境溫度（最理想的溫度范圍是68至71華氏度），才能發(fā)揮最佳性能并最大程度地減少故障。這些服務器農(nóng)場通常通過中央空調系統(tǒng)降溫，或者通過中央暖氣系統(tǒng)升溫，具體取決于它們所在的位置（例如，常見的辦公區(qū)域）。

服務器機架實際上會通過一系列風扇來冷卻內(nèi)部的電子元件。我們大多數(shù)人應該都有過這種體驗，電子設備在使用過程中會變得越來越熱，最終導致設備無法發(fā)揮最佳性能。為了最大程度地削減散熱器的成本與尺寸，我們可以改用無刷直流（BLDC）風扇，借助環(huán)境中的氣流來冷卻電子設備，也就是說利用供暖、通風和空調（HVAC）系統(tǒng)保持恒定的環(huán)境溫度，然后通過BLDC風扇吹動氣流來冷卻服務器機架中的電子元件。

在傳統(tǒng)的服務器應用中，通常使用12V BLDC風扇來冷卻機柜中的電子設備。但就像汽車應用一樣，服務器應用往往也會出于某些原因而改用54V BLDC電機。本文將探討服務器制造商采用54V BLDC電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)12V BLDC電機的兩大主要原因，并論述54V電機驅動應用所需的典型元件以及一些常見的電機控制算法。

服務器制造商之所以采用54V BLDC電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)12V BLDC電機，第一點是因為可以使用四分之一的電流，進而可以使用較細的銅線。此外，由于使用較少的原材料便可完成相同的工作量，電機制造商還可以減小電機的尺寸，并因此降低電機的總成本。第二點是因為服務器制造商可以節(jié)省昂貴的電纜成本，與使用12V BLDC電機相比，使用54V BLDC電機時相同電源總線規(guī)格的電纜可以為四倍數(shù)量的電機供電。高壓電機使用較細的電纜或較窄的PCB走線即可獲得相同的功率。

例如，在450W服務器中，12V BLDC風扇消耗32W。通過功率公式（P= V x I，I = P/V，32W/12V=2.67A）可輕松計算為其供電所需的電流。在功率要求相同的前提下，采用54V BLDC風扇時所需的電流將降至約0.67A，這樣一來，服務器工程師便可以使用26號美國線規(guī)（AWG）電線，相比之下，為12V BLDC風扇供電卻需要使用20號AWG電線。在PCB走線寬度方面，12V BLDC風扇需要0.1英寸，而54V BLDC風扇只需要0.012英寸，這樣一來，當服務器工程師將所有電源走線敷設到服務器系統(tǒng)時便可節(jié)省大量的電路板面積。

服務器制造商采用54V BLDC電機還有一個額外的優(yōu)勢，那就是能夠保證在外形尺寸與傳統(tǒng)12V BLDC電機相同的情況下以更高的轉速運行電機，從而增大空氣密度。不過，增加電機的扭矩功率需要更高的功率，這將需要額外的電流來提供支持。例如，服務器制造商可以使用50W BLDC電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的32W電機來實現(xiàn)更大的氣流。采用54V BLDC電機時僅需要0.93A電流，這比12V BLDC電機驅動50W電機所需的電流小得多。如果使用12V BLDC電機來完成相同的工作量，至少需要4.17A電流。這意味著需要使用較寬的PCB走線和較粗的電纜，成本高昂。使用54V總線電壓時，服務器制造商能夠以更高的轉速運行風扇，從而增大氣流密度，同時還能夠降低布線成本。

對于驅動54V BLDC風扇電機的電子設備而言，存在一項挑戰(zhàn)。那就是服務器工程師不能使用舊的12V硬件來驅動54V電機。他們需要使用工作電壓更高的電子元件，以便有足夠的余量適用54V電源。圖1給出了54V BLDC控制電路的簡化框圖，其中標識了在不影響成熟電機控制算法的前提下驅動54V BLDC電機所用的典型元件。

圖1：54V BLDC控制電路的簡化框圖（其中標識了在不影響成熟電機控制算法的前提下驅動54V BLDC電機所用的典型元件）

不過，市場上有幾種硬件解決方案可以幫助簡化這種方案的轉變。例如，Microchip的MIC28514 75V同步降壓穩(wěn)壓器是一款針對第一階段功率轉換的出色解決方案（圖2）。該器件具有5A輸出電流能力，能夠通過一個54V電源軌為多個BLDC系統(tǒng)供電。MIC28514可將54V電源總線軌轉換為電源效率超過90%的傳統(tǒng)12V電源軌，這樣一來，服務器工程師便可以繼續(xù)使用原先的電機控制算法和久經(jīng)考驗的有源元件。

圖2：使用Microchip的MIC28514 75V 5A同步降壓穩(wěn)壓器時的典型電源效率—輸出電流曲線

MOSFET驅動器和MOSFET逆變器電路也必須滿足高壓MOSFET的要求，54V BLDC應用通常需要80V功率MOSFET。不過，與12V系統(tǒng)相比，電流要求已降至原先的四分之一，而且MOSFET導通電阻也變得沒那么重要。

圖3：Microchip的MIC4607是一款85V三相MOSFET驅動器，具有自適應死區(qū)以及防直通和過流保護

Microchip Technology等芯片制造商現(xiàn)已開發(fā)出諸如MIC28514 75V同步降壓穩(wěn)壓器之類的高壓集成電路，助力客戶利用54V BLDC電機技術，同時依然能夠使用成熟的電機控制算法和其他有源元件。憑借這些高壓器件，服務器制造商可以采用54V電源總線技術，并因此能夠在PCB板上使用更小的電機、更細的銅線和更窄的布線，從而降低系統(tǒng)總成本。此外，由于電壓增加，這些器件還能以相同的外形尺寸增大空氣密度。隨著云計算的逐漸普及以及云計算功能的不斷完善，服務器制造商必須采用價格最為合理、性能最為優(yōu)異的解決方案，才能在價格戰(zhàn)與性能戰(zhàn)中保持競爭力。

　　來源：Microchip Technology，模擬電源和接口部，資深產(chǎn)品營銷經(jīng)理：Miguel Mendoza