可降低数据中心风扇应用能耗和成本的集成式断电制动功能

引言

当代服务器应用需要提供不间断的服务，要满足这一要求可能会导致一些不利的情况，因为在高速风扇叶片存在的情况下，失去动力的反向旋转风扇叶片会产生有害气流，从而导致维护和维修程序也很危险。为了克服这些不利的气流和设备维护，可以在其中添加一些功能，在风扇失去动力或从无动力状态开始旋转时停止风扇。具有这种断电制动（PLB）功能的风扇可以降低能源成本并提高热效率。本文将讨论如何利用失去动力的风扇电机产生的反电动势（BEMF）来实现PLB功能，从而提高效率，并创造一个更安全的操作环境。Allegro新推出的具有PLB功能的无传感器风扇驱动器能够提供所需的更高安全性和热效率，并可以简化风扇设计和物流。

风扇中的不利气流和“热交换”风险

在当今的服务器中，风扇模块中通常包含多个风扇，以确保电子设备保持凉爽。如果模块内的任何风扇未通电且无法运行，则失去动力的风扇可能会因风车效应而反向旋转。当风扇进入反向旋转时，会产生不利的气流，从而降低风扇模块的效率，剩余的正常风扇必须通过加大驱动力和消耗更多功率来补偿冷却损失。为了满足服务器的不间断冷却的需要，通常需要对风扇以“热插拔”方式进行维护和更换，服务器不能断电，对于正在工作的风扇，其锋利叶片可能以接近30000 RPM的速度旋转，这会给服务人员带来巨大安全风险。为了达到保护效果，一些风扇模块加装了金属屏障，但这会增大成本和维护时间。

通过防止风扇进入反向旋转，可以克服风扇由于失去动力而反向旋转产生的不利气流，在风扇设计上的挑战是在主动或被动断电时实现这一目标。

获取断电制动所需的功率

在风扇应用场景下，可以利用断电的不利影响来产生向风扇施加制动所需的功率。当驱动IC的外部电源断开或缺失，电机会因外力或惯性而旋转，此时风扇电机本身可以用作发电机。可以利用电机的反电动势电压，用以产生足够电压使IC产生制动功能。因此，当风扇断电时，旋转风扇产生的BEMF电压可以被用来停止风扇本身。

当无动力风扇因反向旋转而产生足够的BEMF电压时，通过施加制动，PLB功能可以减缓或停止反向旋转。由于反向旋转而产生足够BEMF电压，任何无动力风扇都可以通过PLB功能减慢或停止反向旋转。PLB功能可根据BEMF电压水平针对具体应用进行定制，可不再需要其它正常工作的风扇加大旋转和消耗更多功率，以补偿反向旋转造成的冷却损失。

实施断电制动功能

在服务器风扇中实现PLB功能需要集成几个附加组件，包括肖特基二极管、输入电容和栅极驱动器。因此，该解决方案包含一些折衷因素：物料清单（BOM）的增加使物流变得复杂，服务器冷却风扇的尺寸限制可能会使这些组件的集成变得困难。

为了满足对维护安全、高效服务器冷却风扇的需求，并将设计和物流挑战降至最低，全新的IC已经推出。Allegro 新发布的A89331是一个全正弦三相无代码驱动器IC，而A89332是一个完全正弦三相无代码栅极控制器IC。两者都是为服务器冷却风扇应用而设计，A89331是世界上首款在适合1U服务器冷却风扇PCB上同时包含三相BLDC和PLB功能的IC，这两种器件在实施断电制动功能时都不需要肖特基二极管、输入电容和分立栅极驱动器等多个外部组件。

这些Allegro IC是通过输出器件的体二极管对BEMF电压进行整流，并对IC的VBB电源电容器充电，该电容器通过反极性保护二极管与系统电源隔离，最终实现PLB功能。两个引脚专用于PLB功能，其中PLBENB引脚为启用和禁用PLB功能，当VIN引脚上的电压降至阈值电压VINTH以下时，VIN引脚感测系统电源的缺失并触发PLB功能。对于反极性保护，可以在VIN引脚上添加一个串联电阻器。当系统电源断开时，通过将PLBENB直接连接到GND，可以允许电机旋转，从而禁用PLB功能。Allegro A89331的典型应用如图1所示，其中与PLB功能相关的引脚和外部组件以蓝色标记。当IC断电时，如果发生旋转，电机的BEMF电压将被利用，并产生足够的电压，供IC启用制动功能。  

图1：A89331的典型应用

这些器件中的PLB功能通过制动和停止电机也可改善热插拔维护以及相关的安全问题。当风扇以输入功率（VIN）运行时，输入电源缺失，尽管风扇开始减速，但惯性会导致风扇电机继续旋转，这会导致电源电压（VBB）降低速度低于VIN。Allegro的专利PLB功能使制动器产生脉冲，以调节施加制动功能所需的最小电压，从而停止反向运动，如图2所示。当VIN低于低输入阈值（VINTH）时，VBB电源用于施加PLB。然后，风扇减速至最低水平，在该水平下，它仍然可以产生施加到制动器的功率，并给与制动器足够的脉冲力，使风扇减速，同时为另一个制动器脉冲保持尽可能多的功率。这种方法类似于滞后升压转换器操作，它允许IC以比其他方法慢得多的速度来制动电机。当电机转速不再快到足以提高电压时，VBB降至VBBTH以下，电机进入滑行状态。如果风扇从该状态旋转，则施加PLB功能，如图3所示，其中从外力获得的动量被转换为VBB功率，VBB功率采用脉宽调制制动，然后是滞后增压制动，以便有效地使风扇减速，直到VBB降至低于为PLB供电所需的低阈值。

Allegro A89331和A89332都集成有这种PLB功能，旨在为12V系统提供高效、低振动和高速度。这些器件中内嵌的高集成度算法不再需要外部MCU，从而最大限度地减少了外部组件，是一种成本更低、系统尺寸更小的PLB解决方案。 

图2：断电之后Allegro PLB应用示意图 

图3：从断电状态开始的Allegro PLB应用

绝佳解决方案

业界对于安全、高效和经济高效的冷却解决方案的需求在不断增长，这尤其体现在大型服务器等应用场景。为了实现更为显著的能源节约和相应的成本降低，当今的大型多服务器设施将会从风扇模块的实施中获得一连串的好处，可以使风扇冷却系统在不影响气流的情况下减慢或停止失去动力的风扇。

在Allegro A89331和A89332等器件中实现的PLB功能可以提高整个系统的能效。在采用多个风扇冷却系统的服务器中，如果任何断电风扇开始反向旋转，可以使其停止或减速，从而不会对系统整体气流效率产生不利影响，由此可以创建一个安全运行环境，剩余的正常风扇不必施加更大的驱动，并消耗更多的功率来弥补故障风扇由于反向旋转而造成的冷却损失。

Allegro解决方案可以实现高效、低振动、小PCB尺寸的简单设计。Allegro 的A89331和A89332是服务器冷却风扇市场上唯一具有PLB功能的无代码三相BLDC解决方案。由于不需要软件开发，因而可简化设计，并加快上市时间，而单一组件解决方案也能够简化物流，并缩短开发时间。这些牢固可靠的器件可提供安全的“热插拔”功能，在面积最小的PCB设计中提供了最高级别集成，并为服务器冷却风扇集成了PLB功能。