使用先进的控制电子设备提高服务器效率
使用先进的控制电子设备提高服务器效率
Mark Gaboriault，战略营销总监，
亚历山大·莱瑟姆，系统工程师
战略营销经理托马斯·罗文
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消耗。本笔记讨论了新兴的节能策略，并研究了支持这些技术的一些Allegro™产品。
简介
计算机服务器场和互联网流量在全球范围内的增长导致了这种基础设施以加速的速度消耗全球能源生产。据估计，全球50万个数据中心和3200万个服务器每年消耗全球1.5%的电力，约300太瓦时的电力(文献1)。
随着效率的显著提高，现在的注意力转向了服务器组件级别的电源和热管理，特别是板载冷却风扇本身，它消耗了服务器使用的总功率的10%到15%(文献2)。
集成控制电子技术的最新进展提供了对服务器供应和组件内需求的本地闭环控制。这些进步也使得从传统的单相无刷直流电动机迁移到高效的三相无刷直流电动机成为现实，通常实现高达25%的效率提高。
电子设备允许低成本管理服务器组件，对热特征、功率消耗或物理尺寸的贡献最小。有些，如亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems A4942三相无传感器BLDC风扇电机驱动芯片，是小到足以适合到迷你管道风扇的中心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，支持单个服务器刀片级的热插拔管理。
图1标准机架服务器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
节能策略
最新一代服务器提供了几种新的能源管理方法，可以快速回收转换成本——通常在一年之内。例如，微处理器被设计为在更小的封装中具有更高的吞吐量，所需的功率更少，产生的热量更少。
对单个热源(主要是电源和微处理器及其外壳)的研究导致了散热器几何形状和组件布局的优化，采用通道罩将层流气流引导到这些关键区域。这补充了最新的高效导管微型(小于40mm)串联风扇-电机组件，在这些流道中以串联或并联排列。
为了提高气流效率和减少占地面积，集成风扇成对组合，共享相同的管道。然而，这两个风扇在安装轴和驱动电子设备方面完全独立。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:如果任其发展，其中一个电机将首先启动，导致气流流过另一个风扇，拖拽电机并干扰开环启动顺序。
当电机重新启动时，一个风扇还没有停止转动，也会出现类似的问题。在过去，这种现象使得有必要让两个风扇在重新启动之前完全停止。新的电机驱动器集成电路包含一种自适应启动算法，该算法可以解释当电机是由串联风扇的风扇叶片上的气流驱动时，或者当电机和风扇已经在前一个动力循环中处于运动状态时。先进的IC可以修改电源上电顺序来调整这一点，并允许两个风扇在整个电源周期内以最高效率同步运行。
然而，气流的优化是固定的，需要改进PID控制系统，以优化风机在速度和空闲时间方面的使用。许多服务器只在很小的时间内被利用。在低需求期间，可以通过低功耗模式甚至自动启动的断电模式来节省能源。
这可以通过监测组件运行时的电流消耗来实现，使用可以安装在服务器中的pcb上的电流传感ic来实现低电流板载应用，或在电源线上实现高电流传感。亚博尊贵会员这些紧凑型集成电路利用霍尔效应以磁性方式测量电流，省去了需要散热的感应电阻。例如，集成导体，如快板ACS758，只有100 μ Ω电阻，这是一个数量级低于典型的感应电阻，并导致显着的功耗节省。
该技术还在紧凑的封装中提供隔离电流传感，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，这些设备可以控制供电电流浪涌，并确保直接闭环风扇速度控制，以保持气流速率一致，并与实际冷却需求成比例。
这也导致了材料的节省，因为电机不需要过度设计来补偿大电机到电机的扭矩和速度变化。单个电机的电气特性在各个单元之间的差异通常超过10%。此外，电机安装的局部环境在电力供应和负载以及来自冷却液流和邻近热源的热负载方面变化很大且不一致。
先进的PWM电机驱动器和热插拔电流监测ic可以抑制电机开启时的电流浪涌。新的器件类型应用了软启动PWM电流提升技术，允许设计人员优化浪涌电流和功率循环时间之间的权衡(图2)。
图2。软启动对降低浪涌电流的影响
额外的效率是通过测试设备获得的，在这种情况下，a4942具有先进的功能，在转子位置定义的时间之前开始给电机相位绕组充电。
这种相位推进技术确保相位绕组在产生的转子前向转矩最有效的点上达到所需的电流水平，从而提高电机效率。注意，启动和停止条件是相同的，但软启动，最大电流大大降低。较长的通电时间在启停风扇应用中可能不重要，并且可以通过编程与功率浪涌进行权衡。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最小化这些差异，将电源和冷却风扇从内存存储和处理器元件中分离出来。但在热插拔过程中存在较大风险。具有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建立和中断而发生的电涌。外部FET的软启动控制热插拔电源浪涌并提供电流限制(图3)。通过控制电源连接时FET的接通时间，热插拔电流传感器IC(在本例中为ACS761)将涌流从32 A降低到12 A。
图3。热插拔电流浪涌抑制仿真
热插拔管理会影响服务器中其他组件的设计。这降低了对元件额定高涌流电平的要求。此外，通过集成电流和功率限制，热插拔IC不仅最大限度地减少了为符合UL 60950而必须与操作员隔离的电路板面积，而且还提供短路保护。
三相电机优点
尽管单相无刷直流电动机的成本低于三相电机，但不断增加的能源成本已经使得三相电机的更高效率成为一种经济抵消。从单相无刷直流电机到三相无刷直流电机的典型效率提高约25%。
通过使用诸如电机软启动等技术来减少启动时电源的电流激增，设计可以进一步降低成本。浪涌电流的减少也允许更小的fet和降低电源的成本。
与优化的电机驱动器一起，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稳压器提供集成了先进功能的供应点管理，例如高效的同步整流，短的最小可控启动时间，以及优化的高低侧FET RDS(上)V比在/ V出在服务器中常见的比率。这些提供了强大的容错电源管理，以承受可变的操作条件，并检测和报告各种故障条件。
采用先进集成电路控制和监控的三相无刷直流电动机目前提供了显著的效率提升，并为未来的改进提供了途径。由于这些技术可以应用于子系统级别，它们可以扩展到DG(分布式发电)和CHP(热电联产)系统。随着电子评估技术的改进，这些设备增强了服务器系统微电网与智能电网系统的集成。
引用:
1.Biello, David, Facebook能展示如何减少互联网日益增长的能源使用吗?，《科学美国人》2012年8月3日。
2.《如何优化服务器的能源效率》，eWeek, 2009年3月5日。
最初发表于《电力系统设计》，2012年12月。转载已获授权。
版权所有©2012电力系统设计保留所有权利
电力系统设计版权2013年，Allegro MicroSystems, LLC亚博棋牌游戏
本文件中包含的信息不构成Allegro就本文件主题事项对客户的任何陈述、保证、保证、担保或诱导。所提供的信息并不能保证基于这些信息的流程是可靠的，也不能保证Allegro已经探索了所有可能的故障模式。客户有责任对最终产品进行充分的合格测试，以确保其可靠并满足所有设计要求。
296101 -一个