使用先进的控制电子设备提高服务器效率

战略营销总监Mark Gaboriault，
Alexander Latham，系统工程师，和
Thomas Rowan，战略营销经理，
快板™ 微系统公司

电源管理方法和用于冷却的三相无刷直流系统降低了数据中心的能耗。本文讨论了新兴的节能策略，并探讨了一些快板™ 支持这些技术的产品。

介绍

计算机服务器场和互联网流量在全球范围内的增长，导致这一基础设施以加速的速度消耗全球能源生产。据估计，全球500000个数据中心和3200万台服务器每年消耗的电力约为300TWh，占全球电力的1.5%（参考文献1）。

随着效率的显著提高，现在的注意力转向服务器组件级别的功率和热量管理，特别是板载冷却风扇本身，其消耗的功率占服务器使用总功率的10%到15%（参考文献2）。

集成控制电子技术的最新进展提供了对服务器和组件内部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（BLDC）电机向高效的三相无刷直流（BLDC）电机过渡成为现实，通常可实现高达25%的效率提高。

电子设备允许对服务器组件进行廉价的管理，而对热特征、功耗或物理尺寸的贡献最小。一些，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，小到可以安装在微型管道风扇的轮毂PCB上。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）。监控IC，如ACS761型，提供电流和电源监视和控制，在单个刀片服务器级别启用热插拔管理。

图1标准机架式和刀片式服务器中的风扇管理、电流感应、热插拔管理和PoS调节应用程序。亚博尊贵会员

节能策略

最新一代的服务器提供了几种新的能源管理方法，可以在一年内快速恢复转换成本。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结构和组件布局，并通过通道护罩引导层流气流穿过这些关键区域。这补充了最近的高效率管道微型（小于40毫米）串列风扇马达组件，在这些流动路径内串联或并联排列。

为了提高气流效率和减少占地面积，集成风扇以串联成对方式组装，共用同一管道。然而，这两个风扇在安装轴和驱动电子设备方面是完全独立的。虽然这可以从模块化控制中获得优势，但事实上，它可能会带来影响可靠的无传感器电机启动的问题：任由电机自行启动，其中一个电机将首先启动，导致气流通过另一个风扇，拖动电机并干扰开环启动顺序。

当电机重新启动时，一个风扇尚未停止转动时，也会出现类似问题。在过去，这种现象使得必须让两个风扇在重新启动前完全停止。新的电机驱动器IC包含一个自适应启动算法，可以解释电机何时由串列风扇的风扇叶片上的气流驱动，或者电机和风扇何时已经从上一个电源循环中运动。先进的集成电路可以修改上电顺序，以适应这一点，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，气流的优化是固定的，需要改进PID控制系统，以便在速度和空闲时间方面优化风扇的使用。许多服务器的利用率很小。在低需求期间，可以通过低功率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，使用电流传感IC，可以安装在服务器的PCB上，用于低电流板载应用，或者安装在电源线上，用于高侧电流传感。这些紧凑的集成电路测量电流磁性，利用霍尔效应，消除了感测电阻的需要，这将散热。例如，一个完整的指挥，如在快板亚博尊贵会员ACS758型，仅呈现100µΩ电阻，这比典型的感测电阻器低一个数量级，并导致显著的功率节省。

这项技术还提供了一个紧凑的封装隔离电流传感，提供了闭环反馈低电压输出信号。采用先进的PWM电机驱动器，这些设备可以控制电源电流浪涌，并确保直接闭环风扇转速控制，以保持气流速度一致，并与实际冷却要求成比例。

这也节省了材料，因为电机不必过度设计，以补偿大电机之间的转矩和转速变化。单个电机的电气特性通常在各单元之间变化超过10%。此外，电机安装的局部环境在电源和负载以及冷却液流和相邻热源的热负载方面有很大的不同，而且不一致。

先进的PWM电机驱动器和热插拔电流监测IC可以抑制电机启动时的电流浪涌。新的设备类型采用软启动PWM电流斜坡技术，允许设计者优化浪涌电流和功率循环时间之间的权衡（图2）。

图2。软起动在降低浪涌电流中的作用

在这种情况下，测试设备A4942可获得额外的效率，该设备具有先进的功能，可在转子位置规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相位绕组在转子上产生的正向转矩最有效的点达到所需的电流水平，从而提高电机效率。注意，启动和停止条件相同，但软启动时，最大电流大大降低。较长的通电时间在启动-停止风扇应用中可能并不重要，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

现有的刀片式服务器技术试图通过模块化的方法将这些差异最小化，将电源和冷却风扇与内存存储和处理器元件分开。但是，这在热交换中会带来很大的风险。具有集成热插拔控制的电流传感器IC可管理由于机电连接的接通和断开而发生的电涌。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）。通过控制连接电源时FET的开启时间，热插拔电流传感器IC（本例中为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仿真

热插拔管理会影响服务器中其他组件的设计。这就降低了对高浪涌电流等级部件的额定要求。此外，通过集成电流和功率限制，热插拔IC不仅将必须与操作员隔离以符合UL 60950的电路板面积减至最小，而且还提供短路保护。

三相电动机的优点

虽然单相无刷直流电动机的成本低于三相电动机，但能源成本的增加使得三相电动机的效率提高成为一种经济补偿。从单相无刷直流电动机到三相无刷直流电动机的典型效率改进约为25%。

设计实现了进一步降低成本使用技术，如电机软启动，以减少电流浪涌从电源启动。这种浪涌电流的减少还允许更小的FET，并降低了电源成本。

与优化的电机驱动器一起，功率调节技术可以优化服务器中各种组件和系统的操作。QFN大小的DC-to-DC稳压器提供了集成了先进功能的电源点管理，例如高效率的同步整流、短的最小可控开启时间和优化的高低压侧fetr_DS（开）V的比率_在/五_出去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，并检测和报告各种各样的故障条件。

三相无刷直流电动机采用先进的集成电路控制和监测，提供了显着的效率提高，并提供了一个路径，以未来的改进。由于这些技术可以应用于子系统级，因此可以扩展到分布式发电（DG）和热电联产（CHP）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。

参考文献：
1Biello，David，Facebook能展示如何减少互联网日益增长的能源消耗吗？，科学美国人，2012年8月3日。
2Neudorfer，Julius，How to Optimize the Energy Efficiency of Your Server，eWeek，2009年3月5日。
原载于《电力系统设计》，2012年12月。经允许转载。
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