剖析風(fēng)扇速度控制器原理

1 概述

IC設(shè)計(jì)者力求在越來(lái)越小的封裝里放入更多高速運(yùn)行的晶體管，但這必將導(dǎo)致發(fā)熱。為了把這些高功率IC放進(jìn)更小的封裝內(nèi)，就必須有效解決熱管理問(wèn)題。在很多應(yīng)用中使用風(fēng)扇來(lái)降溫，但風(fēng)扇會(huì)帶來(lái)機(jī)械故障，增加功耗和噪聲。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)風(fēng)扇速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制以解決這些問(wèn)題，從而使風(fēng)扇工作更可靠，功耗和噪聲更低。 由于直流無(wú)刷風(fēng)扇易用、可靠，因此是大部分電子產(chǎn)品的首選方案。它是一個(gè)兩端器件，加上直流電壓即可工作。其直流電壓電壓有5V，12V，24V和48V，目前選和的12V風(fēng)扇較多。隨著12V電源的減少，5V風(fēng)扇的用量將會(huì)增加。電信領(lǐng)域一般使用48V風(fēng)扇。直流無(wú)刷風(fēng)扇的換向整流是在風(fēng)扇內(nèi)部通過(guò)電子方式控制的，老式直流風(fēng)扇使用機(jī)械工刷子，因而會(huì)產(chǎn)生較高的EMI，并易于損壞。而無(wú)刷風(fēng)扇用電子傳感器和開(kāi)關(guān)來(lái)替代機(jī)械式刷子，從而延長(zhǎng)了使用壽命，是一種簡(jiǎn)單易用、工作可靠的兩端器件。直流無(wú)刷風(fēng)扇的端電壓不同，其轉(zhuǎn)速和消耗的電流也不同（成正比）。 盡管直流無(wú)刷風(fēng)扇有很高的可靠性，但它仍然是機(jī)械器件。在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，其風(fēng)扇速度和冷卻效率可能會(huì)下降甚至失效，所以要對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。很多風(fēng)扇制造商提供有不同的監(jiān)控方式，一般分為：報(bào)警傳感器和速度傳感器兩類。利用報(bào)警傳感器可在風(fēng)扇速度低于某個(gè)門限值時(shí)給出報(bào)警信號(hào)。而某些制造商則用速度傳感器給出與頻率成正比的風(fēng)扇速率的輸出信號(hào)，一般每轉(zhuǎn)婁產(chǎn)生2個(gè)脈沖。報(bào)警傳感器和速度傳感器都可以提供漏極開(kāi)路或內(nèi)部上拉輸出，內(nèi)部上拉可以是TTL電平或電源電壓。值得注意的是：用風(fēng)扇速度控制電源電壓的改變將會(huì)影響傳感器和其它電路。而且實(shí)際設(shè)計(jì)中必須考慮風(fēng)扇的使用條件，（如最惡劣的溫度范圍、最大功耗、風(fēng)扇的誤差和使用壽命等），工作在適當(dāng)?shù)臈l件下可以降低風(fēng)扇速度，而在最惡劣的條件下，則應(yīng)加快風(fēng)扇速度。合理控制風(fēng)扇速度能夠降低系統(tǒng)的噪聲和功耗，從而延長(zhǎng)風(fēng)扇的壽命并減少灰塵。

圖一風(fēng)扇速度控制器

2 風(fēng)扇速度控制方法

2.1 脈寬調(diào)制法（PWM）

脈沖寬度調(diào)制法（PWM）是將風(fēng)扇電源的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為固定值，通過(guò)改變其占空比來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度的方法。占空比越大，風(fēng)扇速度越快。這種控制方式的關(guān)鍵在于選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率，如果頻率太低，風(fēng)扇速度將會(huì)隨PWM周期而振蕩。相反，如果頻率過(guò)高，風(fēng)扇內(nèi)部的換向整流電路會(huì)斷開(kāi)風(fēng)扇加速/減速電路的電源而導(dǎo)致風(fēng)扇停轉(zhuǎn)。一般的頻率范圍是20Hz～160Hz。另外，PWM的上升和下降時(shí)間要足夠慢，以保證風(fēng)扇的長(zhǎng)期穩(wěn)定。PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、有很好的啟動(dòng)特性、晶體管熱量耗散小等。缺點(diǎn)是增加了風(fēng)扇的應(yīng)力，不便使用速度報(bào)警傳感器，而速度報(bào)警傳感器與電機(jī)使用同一電源供電，如電機(jī)電源以20Hz～160Hz頻率接通或斷開(kāi)，則傳感器也會(huì)隨之關(guān)斷或開(kāi)啟，從而失去應(yīng)有的檢測(cè)功能。 在PWM控制方法中，風(fēng)扇的電壓為額定值（例如12V風(fēng)扇中的12V電源）或零電壓，但由于風(fēng)扇沒(méi)有滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，因而它的反向電動(dòng)勢(shì)就會(huì)減少，這將導(dǎo)致PWM導(dǎo)通期間的電流可能會(huì)大于正常值。雖然風(fēng)扇的設(shè)計(jì)使共能夠處理較大的電池，但在風(fēng)扇啟動(dòng)階段，電流將每秒增加30倍，這將對(duì)風(fēng)扇的可靠性產(chǎn)生很大影響。盡管如此，PWM仍然是低成本應(yīng)用的理想選擇。

2.2 線性調(diào)節(jié)方法

這種方法利用線性穩(wěn)壓器來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的直流電壓，它要求風(fēng)扇能夠工作在較寬的電壓范圍內(nèi)與PWM控制方式相比，其優(yōu)點(diǎn)是能夠使用速度和報(bào)警傳感器；缺點(diǎn)是功耗較大，需要解決啟動(dòng)和停止問(wèn)題。在用線性穩(wěn)壓器控制風(fēng)扇兩端的直流電壓時(shí)，雖然其功率消耗將產(chǎn)生熱量，但在最大致冷和最小致冷狀態(tài)下的功率消耗卻近似為零。因?yàn)樵谧畲笾吕鋾r(shí)，調(diào)整管上的電壓差近似為零；最小致冷時(shí)調(diào)整管上的電流近似為零，所以功耗近似為零。在風(fēng)扇兩端的電壓為最大工作電壓的一半時(shí)，其功耗最大，這時(shí)的功率耗散可由下式估算： P=1/4（Vmax×Imax） 式中，V和I分別是風(fēng)扇的額定電壓和額定電流，如1.2W的風(fēng)扇的調(diào)整管的功率耗散只有300mW（12V的風(fēng)扇工作在6V）。所以風(fēng)扇速度降低時(shí)能夠節(jié)省一定的功率。啟動(dòng)和停止是相關(guān)聯(lián)的，風(fēng)扇在啟動(dòng)前需要一定的啟動(dòng)電壓。風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)后，一旦風(fēng)扇電壓降低到停止電壓，風(fēng)扇就會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。啟動(dòng)電壓一般等于或稍大于停止電壓，通常是風(fēng)扇額定電壓的25%～50%，在沒(méi)有速度監(jiān)控時(shí)，判斷風(fēng)扇是運(yùn)轉(zhuǎn)還是停止有兩種方法：第一是保證風(fēng)扇兩端的電壓始終大于啟動(dòng)電壓，一般可設(shè)置該電壓大于額定電壓的60%，以降低風(fēng)扇電壓的控制范圍。第二是使用帶有轉(zhuǎn)速計(jì)的風(fēng)扇，并由微控制器對(duì)轉(zhuǎn)速計(jì)進(jìn)行監(jiān)控。在風(fēng)扇沒(méi)有啟動(dòng)或停止前，利用軟件可以了解其狀態(tài)，但是這種方法將增大設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和軟硬件資源。

2.3 DC-DC控制器

同線性穩(wěn)壓方式一樣，DC-DC開(kāi)關(guān)方式也是通過(guò)控制風(fēng)扇兩端的直流電壓來(lái)控制風(fēng)扇速度，所不同的是這種方式采用的開(kāi)關(guān)方式。這兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)基本相同，有一點(diǎn)不同的是DC-DC開(kāi)關(guān)方式的理想效率是100%，所以不會(huì)產(chǎn)生熱量。實(shí)際上DC-DC開(kāi)關(guān)控制器的效率通常是75%～95%，，效率升高，成本和復(fù)雜程度就會(huì)增加。只有在風(fēng)扇工作電壓降低低時(shí)才會(huì)節(jié)省功率，當(dāng)工作電壓是飽和電壓的一半時(shí)，功耗降低的幅度最大。節(jié)省功率的代價(jià)是成本和復(fù)雜程度的提高，所以DC-DC方式一般用于例攜系統(tǒng)以及需要大功率風(fēng)扇或多個(gè)風(fēng)扇控制的應(yīng)用中。

2.4 高端/低端驅(qū)動(dòng)

以上三種方式可以是低端驅(qū)動(dòng)也可以是高端驅(qū)動(dòng)。高端驅(qū)動(dòng)的電路稍復(fù)雜一點(diǎn)，好處是風(fēng)扇負(fù)端可以接地，速度和報(bào)警傳感器具有相同的參考地，而且易于接口。低端驅(qū)動(dòng)不需要電平轉(zhuǎn)換，但速度和報(bào)警傳感器需要電平轉(zhuǎn)換電路。這時(shí)風(fēng)扇的正端一般保持在恒定電壓，而負(fù)端電壓是可以控制和調(diào)節(jié)的，因此速度和報(bào)警傳感器的參考點(diǎn)易改變，因而需要電平轉(zhuǎn)換電路。

圖二電路圖

3 無(wú)轉(zhuǎn)速計(jì)的風(fēng)扇速度控制

兩個(gè)不帶報(bào)警傳感器和速度傳感器的風(fēng)扇速度控制電路，的MAX1669構(gòu)成PWM控制方式，是MAX1669構(gòu)成線性調(diào)節(jié)控制方式。MAX1669既是溫度傳感器又是風(fēng)扇控制器，兩部分可獨(dú)立工作并與微控制器相配合，其接口方式為SMBus。溫度傳感器通過(guò)安裝在遠(yuǎn)端的二極管來(lái)完成，這個(gè)二極管也可以包含在某些器件內(nèi)部，例如XILINX公司的VIRTEX系列器件，這樣會(huì)更確切地控制關(guān)鍵器件的溫度并省去外部二極管。 當(dāng)MAX1669檢測(cè)的溫度增加時(shí)，可由軟件來(lái)控制并提高風(fēng)扇速度。風(fēng)扇速度的控制與溫度測(cè)量無(wú)關(guān)，所以這是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，不存在穩(wěn)定性問(wèn)題。但無(wú)地直接知道被控制件的實(shí)際溫度，也無(wú)法直接了解風(fēng)扇是否失靈或制冷效率是否下降。如果溫度傳感器放在要制冷的地方，可設(shè)計(jì)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，風(fēng)扇速度增加，溫度下降。閉環(huán)系統(tǒng)需要注意穩(wěn)定性的問(wèn)題，同時(shí)會(huì)增加軟件的復(fù)雜性。

4 帶有轉(zhuǎn)速計(jì)的風(fēng)扇速度控制

是帶有轉(zhuǎn)速計(jì)的風(fēng)扇速度控制電路。MAX6625用于測(cè)量溫度并通過(guò)類似I2C的兩線接口傳送至微控制器。兩線接口將命令傳送給MAX6650，由MAX6650來(lái)控制風(fēng)扇的速度，MAX6650內(nèi)部的接口電路可以連接風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速計(jì)（速度傳感器），風(fēng)扇速度通過(guò)SMB兩線接口讀取。用MAX6650即可構(gòu)成風(fēng)扇速度控制器或風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)器?？捎蔑L(fēng)扇速度控制器來(lái)控制風(fēng)扇的兩端電壓，從而達(dá)到控制風(fēng)扇速度的目的。風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)器實(shí)際上是用轉(zhuǎn)速計(jì)來(lái)對(duì)風(fēng)扇速度進(jìn)行測(cè)量和調(diào)節(jié)。把MAX6650用于風(fēng)扇速度控制器時(shí)，用微控制器從MAX6625讀取溫度，并從MAX6650讀取速度，然后通過(guò)MAX6650里的DAC來(lái)控制風(fēng)扇兩端的電壓和速度。微控制器必須不斷地讀取風(fēng)扇速度和通過(guò)DAC來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度，這在啟動(dòng)和停止階段尤為重要。在用MAX6650進(jìn)行速度調(diào)節(jié)時(shí)，可利用微控制器給郵速度指令，并用MAX6650自動(dòng)監(jiān)控和調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度。一旦速度指令傳送給MAX6650，微控制器就可以不再介入，這樣可減少軟件的工作量，如果MAX6650不能提供指令所要求的控制電壓，系統(tǒng)將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)給微控制器以產(chǎn)生中斷。