可降低數據中心風(fēng)扇應用能耗和成本的集成式斷電制動(dòng)功能

引言

當代服務(wù)器應用需要提供不間斷的服務(wù)，要滿(mǎn)足這一要求可能會(huì )導致一些不利的情況，因為在高速風(fēng)扇葉片存在的情況下，失去動(dòng)力的反向旋轉風(fēng)扇葉片會(huì )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(fēng)扇失去動(dòng)力或從無(wú)動(dòng)力狀態(tài)開(kāi)始旋轉時(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)扇電機產(chǎn)生的反電動(dòng)勢（BEMF）來(lái)實(shí)現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(wú)傳感器風(fēng)扇驅動(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(gè)風(fēng)扇，以確保電子設備保持涼爽。如果模塊內的任何風(fēng)扇未通電且無(wú)法運行，則失去動(dòng)力的風(fēng)扇可能會(huì )因風(fēng)車(chē)效應而反向旋轉。當風(fēng)扇進(jìn)入反向旋轉時(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(guò)加大驅動(dòng)力和消耗更多功率來(lái)補償冷卻損失。為了滿(mǎn)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(jìn)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，這會(huì )給服務(wù)人員帶來(lái)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(huì )增大成本和維護時(shí)間。

通過(guò)防止風(fēng)扇進(jìn)入反向旋轉，可以克服風(fēng)扇由于失去動(dòng)力而反向旋轉產(chǎn)生的不利氣流，在風(fēng)扇設計上的挑戰是在主動(dòng)或被動(dòng)斷電時(shí)實(shí)現這一目標。

獲取斷電制動(dòng)所需的功率

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

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

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(mǎn)足對維護安全、高效服務(wù)器冷卻風(fēng)扇的需求，并將設計和物流挑戰降至最低，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(wú)代碼驅動(dòng)器IC，而A89332是一個(gè)完全正弦三相無(wú)代碼柵極控制器IC。兩者都是為服務(wù)器冷卻風(fēng)扇應用而設計，A89331是世界上首款在適合1U服務(wù)器冷卻風(fēng)扇PCB上同時(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動(dòng)器等多個(gè)外部組件。

這些Allegro IC是通過(guò)輸出器件的體二極管對BEMF電壓進(jìn)行整流，并對IC的VBB電源電容器充電，該電容器通過(guò)反極性保護二極管與系統電源隔離，最終實(shí)現PLB功能。兩個(gè)引腳專(zhuān)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(shí)，VIN引腳感測系統電源的缺失并觸發(fā)PLB功能。對于反極性保護，可以在VIN引腳上添加一個(gè)串聯(lián)電阻器。當系統電源斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)將PLBENB直接連接到GND，可以允許電機旋轉，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(guān)的引腳和外部組件以藍色標記。當IC斷電時(shí)，如果發(fā)生旋轉，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(dòng)功能。  

圖1：A89331的典型應用

這些器件中的PLB功能通過(guò)制動(dòng)和停止電機也可改善熱插拔維護以及相關(guān)的安全問(wèn)題。當風(fēng)扇以輸入功率（VIN）運行時(shí)，輸入電源缺失，盡管風(fēng)扇開(kāi)始減速，但慣性會(huì )導致風(fēng)扇電機繼續旋轉，這會(huì )導致電源電壓（VBB）降低速度低于VIN。Allegro的專(zhuān)利PLB功能使制動(dòng)器產(chǎn)生脈沖，以調節施加制動(dòng)功能所需的最小電壓，從而停止反向運動(dòng)，如圖2所示。當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(lèi)似于滯后升壓轉換器操作，它允許IC以比其他方法慢得多的速度來(lái)制動(dòng)電機。當電機轉速不再快到足以提高電壓時(shí)，VBB降至VBBTH以下，電機進(jìn)入滑行狀態(tài)。如果風(fēng)扇從該狀態(tài)旋轉，則施加PLB功能，如圖3所示，其中從外力獲得的動(dòng)量被轉換為VBB功率，VBB功率采用脈寬調制制動(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系統提供高效、低振動(dòng)和高速度。這些器件中內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(kāi)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(cháng)，這尤其體現在大型服務(wù)器等應用場(chǎng)景。為了實(shí)現更為顯著(zhù)的能源節約和相應的成本降低，當今的大型多服務(wù)器設施將會(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)現的PLB功能可以提高整個(gè)系統的能效。在采用多個(gè)風(fēng)扇冷卻系統的服務(wù)器中，如果任何斷電風(fēng)扇開(kāi)始反向旋轉，可以使其停止或減速，從而不會(huì )對系統整體氣流效率產(chǎn)生不利影響，由此可以創(chuàng )建一個(gè)安全運行環(huán)境，剩余的正常風(fēng)扇不必施加更大的驅動(dòng)，并消耗更多的功率來(lái)彌補故障風(fēng)扇由于反向旋轉而造成的冷卻損失。

Allegro解決方案可以實(shí)現高效、低振動(dòng)、小PCB尺寸的簡(jiǎn)單設計。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(wú)代碼三相BLDC解決方案。由于不需要軟件開(kāi)發(fā)，因而可簡(jiǎn)化設計，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(kāi)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。