通过先进的控制电子设备提高服务器效率
通过先进的控制电子设备提高服务器效率
由Mark Gaboriault，战略营销总监，
亚历山大·莱瑟姆，系统工程师
战略营销经理Thomas Rowan，
Allegro™Microsystems，LLC
电源管理方法和用于冷却的三相bldc减少了数据中心的能源使用。本文讨论了新兴的节能策略，并研究了支持这些技术的Allegro™产品。
介绍
全球范围内计算机服务器群和互联网流量的增长导致了这一基础设施对全球能源生产的加速消耗。据估计，全球50万个数据中心和3200万台独立服务器每年消耗1.5%的全球电力——大约300太瓦时(参考文献1)。
具有显着的效率改进，现在关注服务器组件级别的电源和热量管理，特别是在车载冷却粉丝本身，这消耗了服务器所使用的总功率的10％至15％（参考2）。
集成控制电子设备的最新进展为服务器提供了本地闭环控制，并在组件内部需求。这些进步还可以从传统的单相BLDC（无刷DC）电机中迁移到高效的三相BLDC电机，用于风扇，通常实现效率高达25％。
电子设备允许服务器组件的廉价管理，对热签名、功耗或物理尺寸的贡献最小。有的，比如亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems A4942三相无传感器无刷直流风扇电机驱动芯片，足够小，以适合微型管道风扇的集线器PCB。轮毂PCB是一个小的环形板，有效宽度只有5毫米，以容纳转子轴(图1)ACS761.，提供电流和电源监控和控制，在各个服务器刀片级别启用热插拔管理。
图1标准机架式和刀片服务器中的风扇管理，电流传感，热插拔管理和POS调节应用。亚博尊贵会员
减少能源策略
最新一代的服务器为能源管理提供了几种新的方法，它们可以在一年内迅速收回转换成本。例如，微处理器被设计成在更小的封装中具有更高的吞吐量，需要更少的功率和产生更少的热量。
通过对单个热源(主要是电源和微处理器及其外壳)的研究，优化了散热器的几何形状和组件布局，并使用导流罩引导层流穿过这些关键区域。这是对最新的高效微型管道(小于40毫米)串联风扇-电机组件的补充，这些组件在这些流道内串联或并联排列。
为了提高气流效率和减少占地面积，集成风扇串联在一起，共享同一个管道。然而，这两个风扇在安装轴和驱动电子方面是完全独立的。虽然这可以从模块化控制中获得优势，但实际上它可能会引入影响可靠的无传感器电机启动的问题:如果放任不管，其中一个电机将首先启动，导致气流通过另一个风扇，拖动电机，干扰开环启动顺序。
当电机重启时，当一个风扇尚未停止转动时，可能会出现类似的问题。过去，这种现象使得在重新启动之前允许两个粉丝来完成完整的停止。新的电动机驱动器IC包含一个自适应启动算法，当电动机通过串联风扇或电机和风扇从先前的电源循环开始时，可以解释电动机时通过气流驱动。高级IC可以修改上电序列以调整此功能，并允许两个风扇在整个电源周期中以最大效率同步运行。
然而，固定气流的优化，并且PID控制系统的改进是在速度和空闲时间方面优化风扇使用。许多服务器只能使用少量的时间。低需求期间的能量可以通过带自动启动的低功耗模式甚至掉电模式来保存。
这可以通过监控电流消耗作为组件操作的电流检测IC来完成，该电流检测IC在用于低电流车载应用程序的服务器中的PCB上，或用于高侧电流检测的电源线。亚博尊贵会员这些紧凑的IC测量电流磁力，使用霍尔效应，消除了对感测电阻的需求，耗尽热量。例如，诸如Allegro中的集成导体ACS758，仅具有100μΩ的电阻，这是比典型感测电阻低的数量级，并导致显着的功率节省。
该技术还在紧凑的封装中提供隔离电流检测，为闭环反馈提供低电压输出信号。应用先进的PWM电机驱动器，这些器件可以控制电源电流浪涌，确保直接闭环风扇速度控制，以保持气流速度一致，与实际的冷却要求成比例。
这也导致材料节省，因为电动机不必过度指定以补偿大的电动机到电动机扭矩和速度变化。各个电机通常具有在单元之间变化超过10％的电气特性。另外，在电源和负载方面，电动机安装在电源和负载方面的局部环境以及来自冷却剂流动和相邻热源的热负荷。
高级PWM电机驱动器和热插拔电流监控IC可以在电机打开时抑制电流浪涌。新设备类型应用软启动PWM电流斜坡技术，使设计人员能够优化浪涌电流和电源循环时间之间的权衡（图2）。
图2.软启动在减少浪涌电流中的影响
该测试装置获得了额外的效率，在这种情况下，a4942具有先进的特点，即在转子位置确定的时间之前开始给电机相绕组通电。
这种相位推进技术确保了在转子上产生最有效的正向转矩时，相位绕组达到了所需的电流水平，从而提高了电机效率。注意，启动和停止条件是相同的，但在软启动时，最大电流大大降低。在启动-停止风扇应用中，较长的通电时间可能不是很重要，可以通过编程来权衡功率浪涌。亚博尊贵会员
集成热插拔管理
现有的服务器刀片技术试图通过模块化方法将这些差异最小化，将电源和冷却风扇放置在内存存储和处理器元件之外。然而，这在热插拔中产生了重大的风险。集成热插拔控制的电流传感器ic可以管理由于机电连接的接通和断开而产生的电涌。外部FET的软启动控制热插拔功率浪涌并提供电流限制(图3)。当电源接通时，通过控制FET的开启时间，热插拔电流传感器IC，在这个例子中是ACS761，将浪涌电流从32 A降低到12 A。
图3.热插拔电流浪涌抑制模拟
热插拔管理会影响服务器中其他组件的设计。这减少了对高浪涌电流水平的额定组件的要求。另外，通过集成电流和功率限制，热插拔IC不仅最小化了必须从操作员隔离的板区域，以便符合UL 60950，而且还提供短路保护。
三相电机的优势
虽然单相BLDC电动机成本低于三相电动机，但增长的能源成本使三相电机的效率提高了经济偏移。单相BLDC电机到三相BLDC的典型效率提高约为25％。
设计使用电机软启动等技术实现进一步的成本降低，以减少启动电源的电流电源。这种浪涌电流的降低还允许较小的FET并降低电源的成本。
除了优化的电机驱动器外，功率调节技术可以优化服务器内各种组件和系统的操作。QFN大小的DC-TO-DC调节器提供集成的供应点管理，具有先进的功能，例如高效率的同步整流，最小可控的次数，以及优化的高和低侧FET rDS（开）五的比率在/ V出去在服务器中常见的比率。这些提供强大的容错电源管理，可承受可变操作条件，并检测并检测各种故障条件。
具有先进集成电路控制和监控的三相BLDC电机现在提供了显着的效率，并提供了未来改进的路径。因为这些技术可以应用于子系统级别，所以它们可以扩展到DG（分布式发电）和CHP（组合热电和电源）系统。随着改进的电子评估技术，这些设备增强了与智能电网系统的服务器系统微电网集成。
参考：
1. Biello，David，Facebook可以展示如何减少互联网的不断增长的能源使用？，科学美国，2012年8月3日。
2.Neudorfer, Julius, How to optimization the Energy Efficiency of Your Server, eWeek, 2009年3月5日。
最初发表于2012年12月的《电力系统设计》。允许转载。
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