Почему современные серверные приложения используют 54-В вентильные электродвигатели?

Я уверен, каждый слышал термин «облачные вычисления», но большинство из нас, полагающиеся на возможность доступа к важным данным с наших компьютеров и смартфонов, не слишком задумываются о том, где данные хранятся фактически. Итак, что такое облачные вычисления? Облачные вычисления относятся к сетке удаленных серверов, которые хранят и перемещают данные по всему миру, чтобы мы могли получить доступ к ним через Wi-Fi, локальную (LAN) или мобильную сеть.

Эти удаленные серверы действуют как большое запоминающее устройство, которое состоит из скопления серверов в помещении, обычно называемом «серверной фермой». Серверные фермы требуют постоянной температуры окружающей среды (оптимальный температурный диапазон от 68 ° до 71 ° F или от 20 0С до 22 0С) для максимальной производительности и минимизации любого отказа. Они обычно охлаждаются центральным кондиционером или обогреваются центральным отоплением в зависимости от их местоположения, как и обычное жилое помещение.

На реальных серверных стойках используется серия вентиляторов, которые охлаждают электронные компоненты серверов. Многие знают, что электронное оборудование нагревается, поскольку оно «работает», что в конечном итоге повлияет на максимальную производительность оборудования. Чтобы минимизировать затраты и размеры радиаторов, электроника охлаждается потоком воздуха с помощью вентиляторов, приводимых в движение бесщеточными электродвигателями постоянного тока (BLDC), используя температуру окружающей среды, которая поддерживается на постоянном уровне системами нагрева, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), для охлаждения электронных компонентов в серверной стойке.

Традиционно серверные приложения использовали 12-В бесщеточные электродвигатели постоянного тока в электроприводах вентиляторов для охлаждения электроники в шкафу. Однако, как и в автомобильных приложениях, 54-В BLDC двигатели адаптируются и для серверных приложений по нескольким причинам. В этой статье обсуждаются две основные причины, по которым производители серверов используют двигатели 54В BLDC, а не традиционные двигатели с напряжением питания 12В.

Две причины перехода на 54 В бесщеточные электродвигатели постоянного тока

Производители систем охлаждения для серверов используют 54В бесщеточные электродвигатели постоянного тока (BLDC), так как по сравнению с традиционными 12В двигателями, это позволяет снизить потребляемый ток на четверть. В свою очередь, производители электрических машин могут использовать более тонкую медную проволоку. Это также позволяет производителям электродвигателей уменьшить размер машины и, следовательно, общую ее стоимость, поскольку для выполнения одной и той же рабочей нагрузки требуется меньшее количество сырья. Во-вторых, производители серверов экономят на стоимости дорогостоящих кабелей — один кабель одного и того же сечения может питать в четыре раза больше 54В BLDC двигателей по сравнению с 12 вольтовыми, без замены основных токоведущих шин в помещении. При той же мощности электрические машины с более высоким напряжением могут использовать провода меньшего сечения или более узкую ширину дорожки печатной платы.

Например, на 450 Вт мощности сервера 32 Вт потребляются вентиляторами BLDC 12 В. Ток, необходимый для их питания, может быть рассчитан просто, уравнением мощности (P = V × I, I = P / V = 32 Вт / 12 В = 2,67 А). При использовании вентиляторов с бесщеточными электродвигателями постоянного тока с напряжением питания 54 В, требуемый ток снизится примерно до 0,67 A, при условии, что потребляемая мощность будет одинаковой. Это позволит инженерам по обслуживанию серверного оборудования использовать провода и кабели меньшего сечения, что позволит сэкономить деньги и место при их монтаже.

Эта упрощенная блок-схема 54-V схемы управления BLDC идентифицирует типичные компоненты, используемые для управления двигателем BLDC 54 V, без ущерба для проверенного алгоритма управления двигателем

Что касается ширины дорожек печатных плат, то инженер по обслуживания серверов могут использовать дорожки шириной 0,012 дюйма, по сравнению с предыдущим вариантом с толщиной в 0,1 дюйма. Это экономит значительную площадь печатной платы.

Еще одно преимущество для производителей серверов, которые используют 54В машины — это возможность запускать двигатели с более высокими скоростями для увеличения плотности воздушного потока, при этом используя тот же форм-фактор (габариты) традиционного 12В электродвигателя. Это, однако, потребовало бы увеличения тока для увеличения мощности, необходимого для увеличения крутящего момента электрической машины, согласно вентиляторной нагрузке электропривода.

Например, производители серверов могут использовать BLDC электродвигатели мощностью 50 Вт по сравнению с традиционным 32 Вт двигателем для достижения большего расхода воздуха. Принятие 54 В бесщеточной машины постоянного тока потребует ток всего 0,93 A, что значительно меньше тока, требуемого электрической машине с напряжением питания 12 В — 4.17 A для привода мощностью в 50 Вт для достижения такой же рабочей нагрузки. Кроме того, для 12 В BLDC потребуются большие дорожки на печатной плате, а также провода и кабели большего сечения, что увеличивает стоимость системы охлаждения. Использование напряжения на шине 54 В позволяет производителям серверов запускать вентиляторы с более высокой скоростью, чтобы увеличить плотность потока воздуха, а также снизить стоимость кабелей.

Проблемы при работе с 54 В шиной питания

Одна проблема возникает при работе с электроникой, которая управляет вентилятором 54 В, приводимым в движение вентильным электродвигателем — инженеры не смогут использовать старое оборудование на 12 В для новых электроприводов. Они должны использовать электронные компоненты с более высоким рабочим напряжением, которые подходят для источника питания 54 В с большим запасом. На рисунке выше приводится  упрощенная блок-схема 54 В схемы управления вентильным электродвигателем и идентифицируются типичные компоненты, используемые для управления бесщеточными электродвигателями постоянного тока с рабочим напряжением 54 В, без ущерба для проверенного алгоритма управления электрической машиной.

Тем не менее, некоторые аппаратные решения на рынке могут помочь облегчить этот переход. Например, Microchip MIC28514 75-V синхронный стабилизатор обеспечивает решение для первого этапа преобразования мощности (рисунок ниже). Благодаря  выходному току в 5A, устройство может приводить в действие несколько систем электроприводов вентиляторов с одной шины питания на 54 В. MIC28514 преобразует шину питания с напряжением 54 В в традиционную 12-вольтовую шину питания с эффективностью более 90%. В результате инженеры по серверному оборудованию могут продолжать использовать одни и те же алгоритмы управления двигателем и проверенные активные компоненты.

Использования синхронного стабилизатора для преобразования питающего напряжения BLDC электродвигателя

Драйверы управления и схемы инвертора также должны быть рассчитаны на высоковольтные полевые МОП-транзисторы, как правило, 80 В силовой MOSFET для 54В вентильных электродвигателей.

Использование высоковольтных электронных компонентов

Другие производители микросхем разработали высоковольтные интегральные схемы, аналогичные MIC28514 75-V синхронному стабилизатору, позволяя заказчикам использовать 54-вольтовую технологию BLDC без ущерба для использования проверенных алгоритмов управления двигателем и других активных компонентов. Эти высоковольтные устройства делают возможным для производителей серверов использовать технологию шины питания 54 В и, в свою очередь, снизить общую стоимость системы за счет использования меньших двигателей и меньшего сечения токоведущих частей на печатных платах и кабелях. Кроме того, они имеют возможность увеличивать напор воздуха с теми же габаритными размерами из-за повышенного напряжения.

Microchip MIC4607 это трехфазный драйвер MOSFET с напряжением 85 В с адаптивным временем срабатывания и защитой от сверхтоков

Поскольку облачные вычисления продолжают расти по популярности и функциональности, производители серверов должны будут принимать лучшие решения по лучшей цене, чтобы оставаться конкурентоспособными как по стоимости изделий, так и по их производительности.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подтвердите, что Вы не бот — выберите человечка с поднятой рукой: