eng
Выпуск #9/2018
М. Мендоза
Применение 54-вольтовых бесколлекторных двигателей постоянного тока в серверных приложениях
Применение 54-вольтовых бесколлекторных двигателей постоянного тока в серверных приложениях
Просмотры: 1747
В статье рассматриваются причины, по которым производители серверов переходят на 54-В бесколлекторные двигатели постоянного тока в электроприводах вентиляторов для охлаждения электроники вместо 12-В двигателей. Представлено схемное решение на базе компонентов компании Microchip для управления 54-В бесколлекторными двигателями постоянного тока.
УДК 621.313.13 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.180.9.80.82
УДК 621.313.13 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.180.9.80.82
Теги: brushless dc motor cooling fan mosfet driver server cabinet synchronous buck regulator бесколлекторный двигатель постоянного тока вентилятор охлаждения драйвер mosfet серверный шкаф синхронный понижающий стабилизатор
Традиционно в электроприводах вентиляторов для охлаждения электроники в серверных шкафах использовались 12-вольтовые бесколлекторные двигатели постоянного тока (Brushless DC – BLDC). Однако в последнее время 54-вольтовые BLDC-двигатели внедряются не только в автомобильные, но и в серверные приложения. В чем причины такого перехода?*
Во-первых, применение 54-вольтовых BLDC-двигателей позволяет в четыре раза снизить ток потребления по сравнению с 12-вольтовыми двигателями, в результате чего производители двигателей могут использовать более тонкий медный провод. Кроме того, это дает им возможность уменьшить габариты двигателей и тем самым снизить общую стоимость системы, поскольку требуется меньше материалов для выполнения одной и той же рабочей нагрузки.
Во-вторых, производители двигателей экономят на стоимости дорогостоящих кабелей, поскольку можно обеспечить питание для четырех 54-вольтовых BLDC-двигателей, используя всего один силовой кабель такого же сечения, который требуется для одного 12-вольтового двигателя. При одинаковой потребляемой мощности для более высоковольтных двигателей нужен силовой кабель меньшего сечения либо можно использовать более узкие проводники на печатных платах.
Например, 12-вольтовые BLDC-вентиляторы в сервере мощностью 450 Вт потребляют 32 Вт. Требуемый для их питания ток можно оценить с помощью простой формулы для расчета мощности: P = V • I, откуда I = P / V = 32 Вт / 12 В = 2,67 А. При использовании вентиляторов с 54-вольтовыми BLDC-двигателями ток снижается примерно до 0,67 A, что при одинаковой потребляемой мощности позволяет выбрать кабель калибра 26 AWG вместо кабеля 20 AWG, предназначенного для питания 12-вольтовых BLDC-двигателей. Что касается ширины проводников на печатной плате, то для 54-вольтовых BLDC-двигателей можно использовать дорожки шириной 0,012 дюйма вместо 0,1-дюймовых для 12-вольтовых двигателей, что значительно экономит площадь платы, особенно когда в серверной системе нужно задействовать все шины питания.
Дополнительное преимущество 54-вольтовых BLDC-двигателей для производителей серверов – возможность работы двигателя на более высоких скоростях, что повышает интенсивность воздушного потока при использовании форм-фактора обычных 12-вольтовых двигателей. Однако при этом увеличивается потребление тока, чтобы обеспечить более высокую мощность, необходимую для повышенного крутящего момента двигателя.
Например, чтобы достичь воздушного потока большей интенсивности, производители серверов могут использовать BLDC-двигатель мощностью 50 Вт вместо 32-ваттных двигателей. 54-вольтовый BLDC-двигатель требует для питания ток на уровне всего 0,93 A, что значительно меньше тока, необходимого для 12-вольтовых BLDC-двигателей, чтобы обеспечить мощность в 50 Вт. Применение 12-вольтового BLDC-двигателя потребовало бы тока на уровне не менее 4,17 A при такой же рабочей нагрузке. Для этого понадобились бы более широкие проводники на печатных платах, а также более дорогие кабели большего сечения. Использование напряжения питания 54 В позволяет повысить скорость вращения вентиляторов, что дает возможность производителям серверов увеличить плотность воздушного потока, одновременно снизив стоимость кабелей.
Что касается электроники для управления 54-вольтовыми BLDC-двигателями, то инженеры не могут использовать оборудование, рассчитанное на 12 В. Нужны электронные компоненты с более высоким рабочим напряжением, которые с запасом подходят для источника питания 54 В.
На рис. 1 показана упрощенная блок-схема управления 54-вольтовым BLDC-двигателем, обозначены типовые компоненты, которые можно использовать без ущерба для проверенного алгоритма управления двигателем.
На рынке доступен ряд решений, позволяющих облегчить переход на напряжение питания 54 В. Например, эффективное решение для первого каскада преобразования мощности – 75-вольтовый синхронный понижающий (buck) стабилизатор MIC28514 от Microchip. Благодаря выходному току в 5 А это устройство способно обеспечить питанием несколько BLDC-систем от одной шины с напряжением 54 В. MIC28514 преобразует напряжение питания 54 В в популярное напряжение 12 В с КПД более 90% (рис. 2), что позволяет разработчикам использовать одни и те же алгоритмы управления двигателем и проверенные активные компоненты.
Драйверы и инверторы MOSFET для 54-вольтовых BLDC-приложений также должны быть рассчитаны на высоковольтные (как правило, 80-вольтовые) MOSFET. При этом требования по току снижаются в четыре раза по сравнению с 12-вольтовыми системами, а величина сопротивления MOSFET в открытом состоянии в данном случае не столь важна. Примером такого рода устройств служит 3-фазный 85-В драйвер MOSFET MIC4607 от Microchip с адаптивным временем запаздывания, оснащенный защитами от сквозного тока и перегрузки по току (рис. 3).
* * *
Производители ИС, в частности компания Microchip Technology, предлагают высоковольтные микросхемы, аналогичные синхронному стабилизатору MIC28514, которые позволяют разработчикам упростить переход на 54-вольтовые BLDC-двигатели в серверных приложениях. Это дает возможность снизить общую стоимость системы за счет применения более компактных двигателей, более узких проводников на печатных платах и кабелей меньшего сечения. Кроме того, благодаря более высокому напряжению питания 54-вольтовые двигатели позволяют увеличить интенсивность воздушного потока при сохранении форм-фактора 12-вольтовых двигателей. ●
Во-первых, применение 54-вольтовых BLDC-двигателей позволяет в четыре раза снизить ток потребления по сравнению с 12-вольтовыми двигателями, в результате чего производители двигателей могут использовать более тонкий медный провод. Кроме того, это дает им возможность уменьшить габариты двигателей и тем самым снизить общую стоимость системы, поскольку требуется меньше материалов для выполнения одной и той же рабочей нагрузки.
Во-вторых, производители двигателей экономят на стоимости дорогостоящих кабелей, поскольку можно обеспечить питание для четырех 54-вольтовых BLDC-двигателей, используя всего один силовой кабель такого же сечения, который требуется для одного 12-вольтового двигателя. При одинаковой потребляемой мощности для более высоковольтных двигателей нужен силовой кабель меньшего сечения либо можно использовать более узкие проводники на печатных платах.
Например, 12-вольтовые BLDC-вентиляторы в сервере мощностью 450 Вт потребляют 32 Вт. Требуемый для их питания ток можно оценить с помощью простой формулы для расчета мощности: P = V • I, откуда I = P / V = 32 Вт / 12 В = 2,67 А. При использовании вентиляторов с 54-вольтовыми BLDC-двигателями ток снижается примерно до 0,67 A, что при одинаковой потребляемой мощности позволяет выбрать кабель калибра 26 AWG вместо кабеля 20 AWG, предназначенного для питания 12-вольтовых BLDC-двигателей. Что касается ширины проводников на печатной плате, то для 54-вольтовых BLDC-двигателей можно использовать дорожки шириной 0,012 дюйма вместо 0,1-дюймовых для 12-вольтовых двигателей, что значительно экономит площадь платы, особенно когда в серверной системе нужно задействовать все шины питания.
Дополнительное преимущество 54-вольтовых BLDC-двигателей для производителей серверов – возможность работы двигателя на более высоких скоростях, что повышает интенсивность воздушного потока при использовании форм-фактора обычных 12-вольтовых двигателей. Однако при этом увеличивается потребление тока, чтобы обеспечить более высокую мощность, необходимую для повышенного крутящего момента двигателя.
Например, чтобы достичь воздушного потока большей интенсивности, производители серверов могут использовать BLDC-двигатель мощностью 50 Вт вместо 32-ваттных двигателей. 54-вольтовый BLDC-двигатель требует для питания ток на уровне всего 0,93 A, что значительно меньше тока, необходимого для 12-вольтовых BLDC-двигателей, чтобы обеспечить мощность в 50 Вт. Применение 12-вольтового BLDC-двигателя потребовало бы тока на уровне не менее 4,17 A при такой же рабочей нагрузке. Для этого понадобились бы более широкие проводники на печатных платах, а также более дорогие кабели большего сечения. Использование напряжения питания 54 В позволяет повысить скорость вращения вентиляторов, что дает возможность производителям серверов увеличить плотность воздушного потока, одновременно снизив стоимость кабелей.
Что касается электроники для управления 54-вольтовыми BLDC-двигателями, то инженеры не могут использовать оборудование, рассчитанное на 12 В. Нужны электронные компоненты с более высоким рабочим напряжением, которые с запасом подходят для источника питания 54 В.
На рис. 1 показана упрощенная блок-схема управления 54-вольтовым BLDC-двигателем, обозначены типовые компоненты, которые можно использовать без ущерба для проверенного алгоритма управления двигателем.
На рынке доступен ряд решений, позволяющих облегчить переход на напряжение питания 54 В. Например, эффективное решение для первого каскада преобразования мощности – 75-вольтовый синхронный понижающий (buck) стабилизатор MIC28514 от Microchip. Благодаря выходному току в 5 А это устройство способно обеспечить питанием несколько BLDC-систем от одной шины с напряжением 54 В. MIC28514 преобразует напряжение питания 54 В в популярное напряжение 12 В с КПД более 90% (рис. 2), что позволяет разработчикам использовать одни и те же алгоритмы управления двигателем и проверенные активные компоненты.
Драйверы и инверторы MOSFET для 54-вольтовых BLDC-приложений также должны быть рассчитаны на высоковольтные (как правило, 80-вольтовые) MOSFET. При этом требования по току снижаются в четыре раза по сравнению с 12-вольтовыми системами, а величина сопротивления MOSFET в открытом состоянии в данном случае не столь важна. Примером такого рода устройств служит 3-фазный 85-В драйвер MOSFET MIC4607 от Microchip с адаптивным временем запаздывания, оснащенный защитами от сквозного тока и перегрузки по току (рис. 3).
* * *
Производители ИС, в частности компания Microchip Technology, предлагают высоковольтные микросхемы, аналогичные синхронному стабилизатору MIC28514, которые позволяют разработчикам упростить переход на 54-вольтовые BLDC-двигатели в серверных приложениях. Это дает возможность снизить общую стоимость системы за счет применения более компактных двигателей, более узких проводников на печатных платах и кабелей меньшего сечения. Кроме того, благодаря более высокому напряжению питания 54-вольтовые двигатели позволяют увеличить интенсивность воздушного потока при сохранении форм-фактора 12-вольтовых двигателей. ●
Отзывы читателей
