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Por qué las aplicaciones de servidores utilizan ahora motores CC sin escobillas de 54V

Probablemente todos hemos oído hablar del término “informática basada en la nube”, si bien muchos de nosotros accedemos a nuestros datos importantes desde nuestros ordenadores y smartphones sin pensar demasiado dónde están almacenados los datos. ¿En qué consiste la informática basada en la nube? Este término se refiere a una combinación de servidores remotos que almacena y mueve datos a los que se puede acceder mediante Wi-Fi®, LAN o una red celular. Estos servidores remotos funcionan como un dispositivo de almacenamiento de gran capacidad formado por grupos de servidores en un almacén, denominados granjas de servidores. Estas granjas de servidores exigen una temperatura ambiente constante (en rango óptimo de temperatura se encuentra entre 20°C y 22°C) para alcanzar su máximo rendimiento y para minimizar las averías. Estas granjas de servidores se suelen refrigerar mediante aire acondicionado centralizado o se calientan con calefacción central dependiendo de dónde se encuentren, como en un espacio típico de oficina. Los bastidores de servidores utilizan una serie de ventiladores que refrigeran los componentes electrónicos que los integran. Como hemos visto muchos de nosotros, los equipos electrónicos se calientan con su uso, lo cual en última instancia afecta al máximo rendimiento de los equipos.

Para minimizar el coste y el tamaño de los disipadores de calor, los circuitos electrónicos se refrigeran mediante caudal del aire utilizando ventiladores de CC sin escobillas (brushless DC, BLDC) para aprovechar la temperatura ambiente que se mantiene constante con calefacción, ventilación y aire acondicionado para refrigerar los componentes electrónicos en el bastidor de servidores. Las aplicaciones de servidores han venido utilizando tradicionalmente ventiladores BLDC de 12V para refrigerar los circuitos electrónicos del armario. Sin embargo, al igual que en las aplicaciones en el automóvil, se han adaptado motores BLDC de 54V para aplicaciones de servidores por diferentes razones. Este artículo analiza las dos principales razones por las cuales los fabricantes de servidores adoptan motores BLDC de 54V respecto a los motores BLDC de 12V. También se evalúan los componentes típicos que necesitan las aplicaciones de accionamiento de motores de 54V y algunos de los algoritmos habituales para control de motores.

Los fabricantes de servidores adoptan motores BLDC de 54V en lugar de los motores tradicionales BLDC de 12V ya que ello les permite utilizar una cuarta parte de la corriente, de manera que los fabricantes de motores puedan emplear conductores de cobre más finos. Los fabricantes de motores han podido reducir el tamaño del motor y en consecuencia el coste total del motor ya que hacen falta menos materiales para desarrollar el mismo trabajo. En segundo lugar, los fabricantes de servidores reducen el coste de los cables ya que un cable puede multiplicar por cuatro el número de motores utilizando un motor BLDC de 54V si se compara con un motor BLDC de 12V con un cable de alimentación del mismo diámetro. Para la misma potencia, los motores de mayor tensión pueden utilizar cables más pequeños o una pista más estrecha en la placa de circuito impreso. Por ejemplo, en un servidor de 450 W se consumen 32 W en los ventiladores BLDC de 12V. La corriente necesaria para alimentarlos se calcula de forma sencilla con la ecuación de potencia (P= V x I, I = P/V, 32 W/12V=2,67A). Con los ventiladores BLDC de 54V, la corriente necesaria descenderá hasta unos 0,67A, suponiendo que la potencia necesaria sea la misma que permita al ingeniero de servidores utilizar un cable 26 AWG (American Wire Gauge) frente al 20 AWG necesario para alimentar ventiladores BLDC de 12V.

Por lo que respecta a la anchura de la pista en la placa de circuito impreso, un ingeniero de servidores puede utilizar anchuras de la pista de 0,012 pulgadas frente a 0,1 pulgadas gracias al uso de ventiladores BLDC de 54V frente a los ventiladores BLDC de 12V, con el considerable ahorro de superficie en la placa cuando se añaden todas las pistas del bus de alimentación a un sistema de servidores. Una ventaja añadida que tiene para los fabricantes de servidores la adopción de motores BLDC de 54V es la capacidad de recurrir a motores de mayor velocidad con el fin de mover más densidad de aire con el mismo formato de un motor BLDC tradicional de 12V. No obstante, esto exigiría una mayor corriente para cubrir los requisitos de alimentación necesarios para aumentar el par del motor. Por ejemplo, los fabricantes de servidores pueden utilizar un motor BLDC de 50W en lugar del motor tradicional de 32W para lograr un caudal de aire mucho mayor. La adopción de un motor BLDC de 54V solo necesitaría 0,93A, una corriente considerablemente inferior para un motor BLDC de 12V que accione un motor de 50W. Con un motor BLDC de 12V, exigirá al menos 4,17A para la misma carga de trabajo. Ello exigiría unas pistas más grandes y cablea de mayor diámetro en la placa de circuito impreso con un coste prohibitivo. El uso de una tensión del bus de 54V permite que los fabricantes de servidores pongan en funcionamiento ventiladores a mayor velocidad para aumentar la densidad del caudal de aire y reducir el coste del cableado.

Retos para el funcionamiento de un bus de alimentación de 54V

La electrónica que controla el motor BLDC de 54V en un ventilador se enfrenta a un reto. Los ingenieros de servidores no pueden utilizar el viejo hardware de 12V para controlar motores de 54V, sino que han de utilizar componentes electrónicos con una mayor tensión operativa que sean adecuados para una fuente de alimentación de 54V con amplios márgenes. La Figura 1 muestra el diagrama de bloques simplificado de la circuitería de control de un motor BLDC de 54V e identifica los componentes típicos utilizados para controlar un motor BLDC de 54V sin comprometer el algoritmo probado para control de motores. No obstante, existen varias soluciones de hardware en el mercado que pueden facilitar esta transición. Por ejemplo, el regulador redactor síncrono de 75V MIC28514 de Microchip es una excelente solución para la primera etapa de conversión de potencia (figura 2). Este dispositivo, capaz de suministrar una corriente de salida de 5A, puede alimentar varios sistemas BLDC con un solo carril de 54V. El MIC28514 convierte el bus de alimentación de 54V en un carril de alimentación tradicional de 12V con una eficiencia superior al 90% para permitir que los ingenieros de servidores sigan utilizando los mismos algoritmos de control de motores y componentes activos probados. Los controladores MOSFET y la circuitería de inversores MOSFET también tendrán que adaptarse a los MOSFET de alta tensión, generalmente un MOSFET de potencia de 80A para una aplicación BLDC de 54V. Sin embargo, la corriente necesaria se ha reducido a una cuarta parte si se compara con los sistemas de 12V y la resistencia en conducción del MOSFET es mucho menos importante.

Los componentes electrónicos de alta tensión recurren a motores BLDC de 54V como opción viable en aplicaciones de servidores

Los fabricantes de chips, como Microchip Technology, han desarrollado circuitos integrados de alta tensión como el regulador redactor síncrono de 75V MIC28514 para permitir que los clientes utilicen la tecnología de motores BLDC de 54V sin comprometer la capacidad de emplear algoritmos probados para control de motores y otros componentes activos. Estos dispositivos de alta tensión consiguen que los fabricantes de servidores puedan adoptar la tecnología de buses de alimentación de 54V y por tanto reducir el coste total de su sistema gracias a motores más pequeños y a una menor anchura del cobre en las placas de circuito impreso y el cableado. Además, tienen la capacidad de impulsar más aire en una solución igual tamaño gracias a la mayor tensión. Ante la creciente popularidad de la informática en la nube, los fabricantes de servidores tendrán que adoptar las mejores soluciones al mejor precio para seguir siendo competitivos en coste y prestaciones.

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