原标题：在数据中心风扇应用中，集成式断电制动功能可降低能耗并降低成本

　　介绍

　　现代服务器应用程序需要不间断的服务。满足这一要求可能会导致不利的情况——从失去动力的反向旋转风扇叶片产生的低效气流到在高速风扇叶片存在的情况下进行危险的维护和维修程序。为了克服这些不利的气流和维护情况，可以实施功能以在风扇断电或从无电源状态开始旋转时停止风扇。带有这种功率损耗制动器 (PLB) 的风扇可以降低能源成本并提高热效率。本文讨论了如何利用来自失电风扇电机的反电磁力 (BEMF) 来实现 PLB 功能，从而提高效率并创造更安全的操作环境。

　　了解风扇中的气流效率低下和“热插拔”危险

　　在当今的服务器中，风扇模块中经常使用多个风扇来确保电子设备保持凉爽。如果模块内的任何风扇未通电且无法运行，则失去动力的风扇可能会因风车效应而反向旋转。当风扇进入反向旋转时，会产生逆向气流，从而降低风扇模块的效率：剩余的活动风扇必须通过更努力地驱动和消耗更多功率来补偿冷却损失。为了满足不间断冷却的需求，维护和更换通常以“热插拔”方式执行，在这种情况下，服务器不会断电，运行风扇的锋利叶片可能会以接近 30,000 RPM 的速度旋转，从而提供安全性服务人员的风险。为了保护，一些风扇模块包括金属屏，

　　可以通过防止风扇进入反向旋转来克服因失去功率的风扇反向旋转而导致的气流效率低下。设计挑战在于在断电或断电时实现该目标。

　　收集 PLB 所需的电力

　　在风扇的情况下，可以利用功率损失的不利影响来产生对风扇施加制动所需的功率。当驱动IC的外部电源断开或丢失并且电机因外力或惯性旋转时，风扇电机本身可以用作发电机。可以收集电机的 BEMF 电压以产生足够的电压，供 IC 应用制动功能。因此，当风扇断电时，可以利用旋转风扇产生的 BEMF 电压来停止风扇本身。通过在未通电的风扇由于反向旋转而产生足够的 BEMF 电压时施加制动，PLB 功能可以减慢或停止反向旋转。由于反向旋转而产生足够 BEMF 电压的任何未通电风扇都可以启用 PLB 功能来减慢或停止反向旋转。

　　实施 PLB

　　在服务器风扇中实现 PLB 功能需要集成几个附加组件，包括肖特基二极管、输入电容和栅极驱动器。因此，该解决方案需要权衡取舍——增加的物料清单 (BOM) 使物流复杂化，而服务器冷却风扇的尺寸限制可能使这些组件的集成具有挑战性。

　　为了满足维护安全、高效的服务器冷却风扇的需求，新的 IC 不断涌现，可最大限度地减少设计和物流挑战。A89331是一款全正弦三相无代码驱动器 IC，而A89332一款全正弦三相无代码栅极控制器 IC。两者都是为服务器冷却风扇应用而设计的。这两款器件都无需 PLB 的多个外部组件，包括肖特基二极管、输入电容和分立栅极驱动器。

　　A89331 的典型应用图如图 1所示，其中与 PLB 功能相关的引脚和外部组件以蓝色突出显示。这些IC通过输出器件的体二极管对BEMF电压进行整流，并对IC的VBB电源电容充电，从而实现PLB功能，该电容通过反极性保护二极管与系统电源隔离。两个引脚专用于 PLB 功能。PLBENB 引脚启用和禁用 PLB 功能，当 VIN 引脚上的电压低于阈值电压 VINTH 时，VIN 引脚检测系统电源的丢失并触发 PLB 功能。

　　对于反极性保护，可以在 VIN 引脚上添加一个串联电阻。PLBENB 直接连接到 GND 可在系统电源断开时允许电机自由滑行，这将禁用 PLB 功能。当 IC 断电时，如果发生旋转，则收集电机的 BEMF 电压以产生足够的电压，供 IC 应用制动功能。

　　图1 A89331全正弦三相免编码驱动IC典型应用电路。

　　设备中的 PLB 功能通过制动和停止电机来改善热插拔维护和安全相关问题。当风扇从输入电源 (VIN) 运行，并且输入电源丢失时，虽然开始减速，但惯性会导致风扇电机继续旋转，从而导致电源电压 (VBB) 比 VIN 下降得慢。如图 2所示，独特的 PLB 功能通过脉冲制动来调节应用制动功能以停止逆向运动所需的最小电压。

　　图 2断电后的 PLB 应用。

　　当 VIN 低于低输入阈值 (VINTH) 时，VBB 电源用于施加 PLB。然后风扇减速到最低水平，在该水平下它仍然可以产生施加制动的功率，并以足够的力向制动器发出脉冲以减慢风扇速度，同时为另一个制动脉冲保持尽可能多的功率。这种方法类似于迟滞升压转换器操作，它允许 IC 以比其他方法慢得多的速度制动电机。当电机不再以足够快的速度旋转以提高电压时，VBB 降至 VBBTH 以下，电机进入惯性滑行状态。如果风扇从该状态旋转，则应用 PLB 功能，如如图 3所示，其中从外力获得的动量转换为 VBB 功率，该功率应用脉宽调制制动器，然后是迟滞增压制动器以有效地使风扇减速，直到 VBB 降至为 PLB 供电所需的低阈值以下。

　　图 3未通电状态下的 PLB 应用程序

　　配备此 PLB 功能的 A89331 和 A89332 IC 旨在为 12 V 系统提供高效率、低振动和高速。这些器件中嵌入的高度集成算法消除了对外部 MCU 的需求，从而最大限度地减少了外部组件。

　　很酷的解决方案

　　在大型服务器安装应用中，对安全、高效和经济高效的冷却解决方案的需求不断增长。为了节省大量能源并相应地节省成本，当今的大型多服务器设施将从实施风扇模块中获得级联好处，这些风扇模块可以在不影响气流的情况下减慢或停止掉电的风扇。这些 IC 提供安全的“热插拔”功能，并在最小的 PCB 设计中提供最高水平的集成，并为服务器冷却风扇提供集成 PLB 功能。

　　PLB 功能可以提高整体系统的能源效率。在使用多个风扇来冷却系统的服务器中，如果任何未通电的风扇开始反向旋转，则可以将其停止或减慢，从而不会对气流方面的整体系统效率产生不利影响。这可以创建一个运行环境，其中剩余的活动风扇不必更加努力地驱动和消耗更多的功率来弥补由于反向旋转造成的冷却损失。

　　Chengyi Jin 是 Allegro MicroSystems 的首席系统设计工程师