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서버 애플리케이션을 위한 54V BLDC 모터 설계 기술 ①

‘클라우드 기반 컴퓨팅’이라는 단어는 모든 이가 들어보았을 것이다. 하지만 대부분의 사람들은 컴퓨터와 스마트폰의 중요한 데이터에 액세스할 수 있다는 사실만 신경 쓰고 데이터가 실제로 어디에 저장되는지는 별로 중요하게 생각하지 않는다. 

그렇다면 클라우드 기반 컴퓨팅이란 무엇인가? 클라우드 기반 컴퓨팅은 전세계 데이터를 저장하고 이동하는 원격 서버망을 뜻하며 와이파이, LAN 또는 셀룰러 네트워크를 통해 액세스 할 수 있다. 

이러한 원격 서버는 흔히 서버 팜(server farm)이라고 불리는 웨어하우스 내에서 서버 클러스터로 구성된 대형 저장 장치의 역할을 한다. 서버 팜은 최고 성능으로 동작하고 고장을 최소화하기 위해 일정한 동작 온도(최적 온도 범위는 20도~21.6도 사이)를 유지해야 한다. 

보통 일반 사무실 공간처럼, 위치한 곳에 따라 중앙 냉방장치로 냉각 또는 중앙 난방장치로 난방된다.

실제 서버 랙은 일련의 팬을 사용해 내부의 전자 부품을 냉각한다. 우리가 아는 바와 같이 전자장치는 사용할수록 뜨거워지고, 이러한 발열은 결과적으로 장비의 최대 성능에 영향을 미친다. 

히트 싱크의 비용과 크기를 최소화하기 위해 전자장치는 BLDC(Brushless DC) 팬을 사용하여 공기 흐름을 통해 냉각되는데, 이때 서버 랙 내의 전자부품 온도를 낮추기 위한 공조장치(HVAC)에 의해 일정하게 유지되는 동작 온도를 유지할 수 있다.

전통적으로 서버 애플리케이션은 캐비닛 내의 전자장치를 냉각하기 위해 12V BLDC 팬을 사용했다. 하지만 자동차 애플리케이션과 마찬가지로 54V BLDC 모터는 여러 이유로 인해 서버 애플리케이션에 도입되었다. 

이 글에서는 서버 제조업체가 기존 12V BLDC 모터 대신 54V BLDC 모터를 채택하는 2개 중요한 이유를 설명한다. 또한, 54V 모터 드라이브 애플리케이션에 필요한 일반적인 구성요소와 몇 가지 공통적인 모터 컨트롤 알고리즘을 살펴본다.

서버 제조업체가 기존 12V BLDC 모터 대신 54V BLDC 모터를 채택하는 첫 번째 이유는 사용되는 전류량이 1/4로 절감되어 더 얇은 구리 와이어를 사용할 수 있기 때문이다. 

이로 인해 모터 크기를 줄일 수 있고, 따라서 동일한 작업 부하를 수행하는 데 필요한 원재료가 줄어드므로 모터의 전체 비용이 낮아진다. 

두 번째 이유는 서버 제조업체가 고가의 케이블 비용을 절감할 수 있다는 것이다. 54V BLDC 모터를 사용할 경우, 동일한 전원 버스 게이지 케이블을 사용하는 12V BLDC 모터에 비해 하나의 케이블로 4배나 많은 수의 모터에 전력을 공급할 수 있다. 동일한 전력일 경우, 고전압 모터는 더 작은 케이블이나 더 좁은 PCB 트랙 폭을 사용한다.

예를 들어 450W 서버에서 12V BLDC 팬은 32W를 소비한다. 전력을 공급하는 데 필요한 전류는 전력 방정식(P= V x I, I = P/V, 32watts/12V=2.67A)으로 간단하게 계산할 수 있다. 

20AWG(American Wire Gauge) 와이어에서 12V BLDC 팬을 구동하는 데 필요한 전력과 26AWG 와이어를 사용하는 데 필요한 전력 요구사항이 같다고 할 때, 54V BLDC 팬을 사용하면 필요 전류는 약 0.67A로 떨어진다. 

PCB 트랙 폭의 경우 서버 엔지니어는 54V BLDC 팬과 12V BLDC 팬 사용 시 각각 0.012인치 PCB 트랙 폭과 0.1인치 PCB 트랙 폭을 사용할 수 있다. 서버 시스템에 모든 전원 버스 트레이스를 추가한다고 할 때, 이는 상당한 보드 공간을 절감해 준다.

서버 제조업체가 54V BLDC 모터를 채택할 경우 추가적으로 얻게 되는 이점은 전통적인 12V BLDC 모터와 동일한 폼팩터를 사용하면서도 더 높은 공기 밀도를 이동시키기 위해 모터를 더 빠른 속도로 가동시킬 수 있다는 것이다. 

하지만 이 경우 모터의 토크 파워 증가에 필요한 전력 요건을 지원하기 위해서는 전류가 추가로 필요하다. 예를 들어 서버 제조업체는 더 큰 공기 흐름을 달성하기 위해 기존의 32W 모터 대신 50W BLDC 모터를 사용할 수 있다. 

54V BLDC 모터를 채택하면 단 0.93A만 필요하며, 이는 12V BLDC 모터가 50W 모터를 구동하는 데 필요한 전류보다 매우 낮은 수준이다. 12V BLDC 모터의 경우 동일한 작업 부하를 달성하려면 최소 4.17A가 필요하다. 

이를 위해서는 대형 PCB 트레이스와 더 큰 케이블이 필요하며, 그만큼 비용이 크게 증가한다. 54V 버스 전압을 사용하면 서버 제조업체는 공기 흐름 밀도를 증가시키는 동시에 케이블링 비용을 줄일 수 있도록 더 빠른 속도로 팬을 가동시킬 수 있다. 

 

글 : 미구엘 멘도자(Miguel Mendoza) / 아날로그 파워·인터페이스 부문 시니어 매니저 / 마이크로칩테크놀로지

 

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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