Microchip Technology
模擬電源和接口部
資深產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理
Miguel Mendoza
大家可能都聽(tīng)說(shuō)過(guò)“云計算”，但是大多數人對于“云計算”的認識僅限于我們可以通過(guò)計算機和智能手機訪(fǎng)問(wèn)重要數據，至于這些數據實(shí)際存儲在什么地方則不必考慮。那么究竟什么是云計算呢？云計算是指負責在全球范圍內存儲和移動(dòng)數據的許多遠程服務(wù)器所構成的網(wǎng)絡(luò )，我們可以通過(guò)Wi-Fi®、LAN或蜂窩網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。這些遠程服務(wù)器的作用類(lèi)似于大型存儲設備，包含多個(gè)服務(wù)器集群并安裝在通常稱(chēng)作服務(wù)器農場(chǎng)的倉庫中。這些服務(wù)器農場(chǎng)需要處于恒定的環(huán)境溫度（最理想的溫度范圍是68至71華氏度），才能發(fā)揮最佳性能并最大程度地減少故障。這些服務(wù)器農場(chǎng)通常通過(guò)中央空調系統降溫，或者通過(guò)中央暖氣系統升溫，具體取決于它們所在的位置（例如，常見(jiàn)的辦公區域）。
服務(wù)器機架實(shí)際上會(huì )通過(guò)一系列風(fēng)扇來(lái)冷卻內部的電子元件。我們大多數人應該都有過(guò)這種體驗，電子設備在使用過(guò)程中會(huì )變得越來(lái)越熱，最終導致設備無(wú)法發(fā)揮最佳性能。為了最大程度地削減散熱器的成本與尺寸，我們可以改用無(wú)刷直流（BLDC）風(fēng)扇，借助環(huán)境中的氣流來(lái)冷卻電子設備，也就是說(shuō)利用供暖、通風(fēng)和空調（HVAC）系統保持恒定的環(huán)境溫度，然后通過(guò)BLDC風(fēng)扇吹動(dòng)氣流來(lái)冷卻服務(wù)器機架中的電子元件。
在傳統的服務(wù)器應用中，通常使用12V BLDC風(fēng)扇來(lái)冷卻機柜中的電子設備。但就像汽車(chē)應用一樣，服務(wù)器應用往往也會(huì )出于某些原因而改用54V BLDC電機。本文將探討服務(wù)器制造商采用54V BLDC電機代替傳統12V BLDC電機的兩大主要原因，并論述54V電機驅動(dòng)應用所需的典型元件以及一些常見(jiàn)的電機控制算法。
服務(wù)器制造商之所以采用54V BLDC電機代替傳統12V BLDC電機，第一點(diǎn)是因為可以使用四分之一的電流，進(jìn)而可以使用較細的銅線(xiàn)。此外，由于使用較少的原材料便可完成相同的工作量，電機制造商還可以減小電機的尺寸，并因此降低電機的總成本。第二點(diǎn)是因為服務(wù)器制造商可以節省昂貴的電纜成本，與使用12V BLDC電機相比，使用54V BLDC電機時(shí)相同電源總線(xiàn)規格的電纜可以為四倍數量的電機供電。高壓電機使用較細的電纜或較窄的PCB走線(xiàn)即可獲得相同的功率。
例如，在450W服務(wù)器中，12V BLDC風(fēng)扇消耗32W。通過(guò)功率公式（P= V x I，I = P/V，32W/12V=2.67A）可輕松計算為其供電所需的電流。在功率要求相同的前提下，采用54V BLDC風(fēng)扇時(shí)所需的電流將降至約0.67A，這樣一來(lái)，服務(wù)器工程師便可以使用26號美國線(xiàn)規（AWG）電線(xiàn)，相比之下，為12V BLDC風(fēng)扇供電卻需要使用20號AWG電線(xiàn)。在PCB走線(xiàn)寬度方面，12V BLDC風(fēng)扇需要0.1英寸，而54V BLDC風(fēng)扇只需要0.012英寸，這樣一來(lái)，當服務(wù)器工程師將所有電源走線(xiàn)敷設到服務(wù)器系統時(shí)便可節省大量的電路板面積。
服務(wù)器制造商采用54V BLDC電機還有一個(gè)額外的優(yōu)勢，那就是能夠保證在外形尺寸與傳統12V BLDC電機相同的情況下以更高的轉速運行電機，從而增大空氣密度。不過(guò)，增加電機的扭矩功率需要更高的功率，這將需要額外的電流來(lái)提供支持。例如，服務(wù)器制造商可以使用50W BLDC電機代替傳統的32W電機來(lái)實(shí)現更大的氣流。采用54V BLDC電機時(shí)僅需要0.93A電流，這比12V BLDC電機驅動(dòng)50W電機所需的電流小得多。如果使用12V BLDC電機來(lái)完成相同的工作量，至少需要4.17A電流。這意味著(zhù)需要使用較寬的PCB走線(xiàn)和較粗的電纜，成本高昂。使用54V總線(xiàn)電壓時(shí)，服務(wù)器制造商能夠以更高的轉速運行風(fēng)扇，從而增大氣流密度，同時(shí)還能夠降低布線(xiàn)成本。
使用54V電源總線(xiàn)面臨的挑戰
對于驅動(dòng)54V BLDC風(fēng)扇電機的電子設備而言，存在一項挑戰。那就是服務(wù)器工程師不能使用舊的12V硬件來(lái)驅動(dòng)54V電機。他們需要使用工作電壓更高的電子元件，以便有足夠的余量適用54V電源。圖1給出了54V BLDC控制電路的簡(jiǎn)化框圖，其中標識了在不影響成熟電機控制算法的前提下驅動(dòng)54V BLDC電機所用的典型元件。
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BLDC 54V Block Diagram
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BLDC 54V框圖
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Buck Regulator
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降壓穩壓器
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Temp Sensor
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溫度傳感器
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16-bit Micro
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16位單片機
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3-Phase Driver
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三相驅動(dòng)器
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Current Sense
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電流檢測
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Motor Position Sense
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電機位置檢測
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MOSFETs
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MOSFET
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54V BLDC Motor
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54V BLDC電機
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圖1：54V BLDC控制電路的簡(jiǎn)化框圖（其中標識了在不影響成熟電機控制算法的前提下驅動(dòng)54V BLDC電機所用的典型元件）
不過(guò)，市場(chǎng)上有幾種硬件解決方案可以幫助簡(jiǎn)化這種方案的轉變。例如，Microchip的MIC28514 75V同步降壓穩壓器是一款針對第一階段功率轉換的出色解決方案（圖2）。該器件具有5A輸出電流能力，能夠通過(guò)一個(gè)54V電源軌為多個(gè)BLDC系統供電。MIC28514可將54V電源總線(xiàn)軌轉換為電源效率超過(guò)90%的傳統12V電源軌，這樣一來(lái)，服務(wù)器工程師便可以繼續使用原先的電機控制算法和久經(jīng)考驗的有源元件。
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Efficiency (%)
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效率（%）
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Efficiency vs. Output Current (VIN = 48V)
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效率—輸出電流曲線(xiàn)（VIN = 48V）
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圖2：使用Microchip的MIC28514 75V 5A同步降壓穩壓器時(shí)的典型電源效率—輸出電流曲線(xiàn)
MOSFET驅動(dòng)器和MOSFET逆變器電路也必須滿(mǎn)足高壓MOSFET的要求，54V BLDC應用通常需要80V功率MOSFET。不過(guò)，與12V系統相比，電流要求已降至原先的四分之一，而且MOSFET導通電阻也變得沒(méi)那么重要。
圖3：Microchip的MIC4607是一款85V三相MOSFET驅動(dòng)器，具有自適應死區以及防直通和過(guò)流保護
高壓電子元件使得在服務(wù)器應用中選用54V BLDC電機成為可能
Microchip Technology等芯片制造商現已開(kāi)發(fā)出諸如MIC28514 75V同步降壓穩壓器之類(lèi)的高壓集成電路，助力客戶(hù)利用54V BLDC電機技術(shù)，同時(shí)依然能夠使用成熟的電機控制算法和其他有源元件。憑借這些高壓器件，服務(wù)器制造商可以采用54V電源總線(xiàn)技術(shù)，并因此能夠在PCB板上使用更小的電機、更細的銅線(xiàn)和更窄的布線(xiàn)，從而降低系統總成本。此外，由于電壓增加，這些器件還能以相同的外形尺寸增大空氣密度。隨著(zhù)云計算的逐漸普及以及云計算功能的不斷完善，服務(wù)器制造商必須采用價(jià)格最為合理、性能最為優(yōu)異的解決方案，才能在價(jià)格戰與性能戰中保持競爭力。 |
