Microchip Technology
模擬電源和接口部
資深產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理
Miguel Mendoza
大家可能都聽說過“云計(jì)算”，但是大多數(shù)人對(duì)于“云計(jì)算”的認(rèn)識(shí)僅限于我們可以通過計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)訪問重要數(shù)據(jù)，至于這些數(shù)據(jù)實(shí)際存儲(chǔ)在什么地方則不必考慮。那么究竟什么是云計(jì)算呢？云計(jì)算是指負(fù)責(zé)在全球范圍內(nèi)存儲(chǔ)和移動(dòng)數(shù)據(jù)的許多遠(yuǎn)程服務(wù)器所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，我們可以通過Wi-Fi®、LAN或蜂窩網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行訪問。這些遠(yuǎn)程服務(wù)器的作用類似于大型存儲(chǔ)設(shè)備，包含多個(gè)服務(wù)器集群并安裝在通常稱作服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)的倉(cāng)庫(kù)中。這些服務(wù)器農(nóng)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(nóng)場(chǎng)通常通過中央空調(diào)系統(tǒng)降溫，或者通過中央暖氣系統(tǒng)升溫，具體取決于它們所在的位置（例如，常見的辦公區(qū)域）。
服務(wù)器機(jī)架實(shí)際上會(huì)通過一系列風(fēng)扇來冷卻內(nèi)部的電子元件。我們大多數(shù)人應(yīng)該都有過這種體驗(yàn)，電子設(shè)備在使用過程中會(huì)變得越來越熱，最終導(dǎo)致設(shè)備無法發(fā)揮最佳性能。為了最大程度地削減散熱器的成本與尺寸，我們可以改用無刷直流（BLDC）風(fēng)扇，借助環(huán)境中的氣流來冷卻電子設(shè)備，也就是說利用供暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)保持恒定的環(huán)境溫度，然后通過BLDC風(fēng)扇吹動(dòng)氣流來冷卻服務(wù)器機(jī)架中的電子元件。
在傳統(tǒng)的服務(wù)器應(yīng)用中，通常使用12V BLDC風(fēng)扇來冷卻機(jī)柜中的電子設(shè)備。但就像汽車應(yīng)用一樣，服務(wù)器應(yīng)用往往也會(huì)出于某些原因而改用54V BLDC電機(jī)。本文將探討服務(wù)器制造商采用54V BLDC電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)12V BLDC電機(jī)的兩大主要原因，并論述54V電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用所需的典型元件以及一些常見的電機(jī)控制算法。
服務(wù)器制造商之所以采用54V BLDC電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)12V BLDC電機(jī)，第一點(diǎn)是因?yàn)榭梢允褂盟姆种坏碾娏�，進(jìn)而可以使用較細(xì)的銅線。此外，由于使用較少的原材料便可完成相同的工作量，電機(jī)制造商還可以減小電機(jī)的尺寸，并因此降低電機(jī)的總成本。第二點(diǎn)是因?yàn)榉⻊?wù)器制造商可以節(jié)省昂貴的電纜成本，與使用12V BLDC電機(jī)相比，使用54V BLDC電機(jī)時(shí)相同電源總線規(guī)格的電纜可以為四倍數(shù)量的電機(jī)供電。高壓電機(jī)使用較細(xì)的電纜或較窄的PCB走線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。通過功率公式（P= V x I，I = P/V，32W/12V=2.67A）可輕松計(jì)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，服務(wù)器工程師便可以使用26號(hào)美國(guó)線規(guī)（AWG）電線，相比之下，為12V BLDC風(fēng)扇供電卻需要使用20號(hào)AWG電線。在PCB走線寬度方面，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，當(dāng)服務(wù)器工程師將所有電源走線敷設(shè)到服務(wù)器系統(tǒng)時(shí)便可節(jié)省大量的電路板面積。
服務(wù)器制造商采用54V BLDC電機(jī)還有一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)，那就是能夠保證在外形尺寸與傳統(tǒng)12V BLDC電機(jī)相同的情況下以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行電機(jī)，從而增大空氣密度。不過，增加電機(jī)的扭矩功率需要更高的功率，這將需要額外的電流來提供支持。例如，服務(wù)器制造商可以使用50W BLDC電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的32W電機(jī)來實(shí)現(xiàn)更大的氣流。采用54V BLDC電機(jī)時(shí)僅需要0.93A電流，這比12V BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)50W電機(jī)所需的電流小得多。如果使用12V BLDC電機(jī)來完成相同的工作量，至少需要4.17A電流。這意味著需要使用較寬的PCB走線和較粗的電纜，成本高昂。使用54V總線電壓時(shí)，服務(wù)器制造商能夠以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行風(fēng)扇，從而增大氣流密度，同時(shí)還能夠降低布線成本。
使用54V電源總線面臨的挑戰(zhàn)
對(duì)于驅(qū)動(dòng)54V BLDC風(fēng)扇電機(jī)的電子設(shè)備而言，存在一項(xiàng)挑戰(zhàn)。那就是服務(wù)器工程師不能使用舊的12V硬件來驅(qū)動(dòng)54V電機(jī)。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(biāo)識(shí)了在不影響成熟電機(jī)控制算法的前提下驅(qū)動(dòng)54V BLDC電機(jī)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(wěn)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(jī)
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3-Phase Driver
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三相驅(qū)動(dòng)器
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Current Sense
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電流檢測(cè)
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Motor Position Sense
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電機(jī)位置檢測(cè)
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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(jī)
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圖1：54V BLDC控制電路的簡(jiǎn)化框圖（其中標(biāo)識(shí)了在不影響成熟電機(jī)控制算法的前提下驅(qū)動(dòng)54V BLDC電機(jī)所用的典型元件）
不過，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(zhuǎn)變。例如，Microchip的MIC28514 75V同步降壓穩(wěn)壓器是一款針對(duì)第一階段功率轉(zhuǎn)換的出色解決方案（圖2）。該器件具有5A輸出電流能力，能夠通過一個(gè)54V電源軌為多個(gè)BLDC系統(tǒng)供電。MIC28514可將54V電源總線軌轉(zhuǎn)換為電源效率超過90%的傳統(tǒng)12V電源軌，這樣一來，服務(wù)器工程師便可以繼續(xù)使用原先的電機(jī)控制算法和久經(jīng)考驗(yàn)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（VIN = 48V）
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圖2：使用Microchip的MIC28514 75V 5A同步降壓穩(wěn)壓器時(shí)的典型電源效率—輸出電流曲線
MOSFET驅(qū)動(dòng)器和MOSFET逆變器電路也必須滿足高壓MOSFET的要求，54V BLDC應(yīng)用通常需要80V功率MOSFET。不過，與12V系統(tǒng)相比，電流要求已降至原先的四分之一，而且MOSFET導(dǎo)通電阻也變得沒那么重要。
圖3：Microchip的MIC4607是一款85V三相MOSFET驅(qū)動(dòng)器，具有自適應(yīng)死區(qū)以及防直通和過流保護(hù)
高壓電子元件使得在服務(wù)器應(yīng)用中選用54V BLDC電機(jī)成為可能
Microchip Technology等芯片制造商現(xiàn)已開發(fā)出諸如MIC28514 75V同步降壓穩(wěn)壓器之類的高壓集成電路，助力客戶利用54V BLDC電機(jī)技術(shù)，同時(shí)依然能夠使用成熟的電機(jī)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電源總線技術(shù)，并因此能夠在PCB板上使用更小的電機(jī)、更細(xì)的銅線和更窄的布線，從而降低系統(tǒng)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。隨著云計(jì)算的逐漸普及以及云計(jì)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(zhàn)與性能戰(zhàn)中保持競(jìng)爭(zhēng)力。 |
