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我們已經(jīng)進(jìn)入需要高性能和電路小型化的電子產(chǎn)品革命時(shí)代。電子系統性能的提高和尺寸的縮小已經(jīng)導致功耗與散熱的增加。因此，從個(gè)人電腦到高端服務(wù)器的不同解決方案頻頻出現熱管理問(wèn)題。系統冷卻/熱管理已成為所有高性能電子系統的關(guān)鍵任務(wù)。通常采用強制對流方式來(lái)實(shí)現熱管理。強制對流方式通過(guò)轉移熱源內部及周?chē)目諝鈦?lái)提高散熱。采用無(wú)刷直流（BLDC）風(fēng)扇能夠輕松實(shí)現上述目的。此類(lèi)風(fēng)扇的轉速取決于其RMS電壓。 通過(guò)全速運行風(fēng)扇可以實(shí)現熱管理，但是風(fēng)扇的高轉速會(huì )導致以下問(wèn)題： ● 提高可聞噪聲 ● 增加功耗 ● 縮短使用壽命（機械磨損） ● 增加堵塞（集塵） 然而，風(fēng)扇低于所需轉速運行時(shí)又會(huì )導致冷卻不足，從而造成組件過(guò)熱。過(guò)熱會(huì )造成組件故障。為了解決此類(lèi)問(wèn)題，必須根據環(huán)境條件（即：溫度）控制風(fēng)扇轉速。 風(fēng)扇轉速可采用以下方式控制： 1. 直接PWM →通過(guò)提高或降低用于控制轉速的脈寬（即：改變占空比）可以實(shí)現脈寬調制（PWM）。 2. 線(xiàn)性調節→線(xiàn)性調節器可以控制風(fēng)扇的直流電壓，進(jìn)而控制風(fēng)扇轉速。 3. DC-DC調節→此方式與線(xiàn)性調節大同小異，其區別是采用開(kāi)關(guān)調節器替代線(xiàn)性調節器。 直接PWM方法因其具有低功耗、低成本、易于設計等優(yōu)勢，較為常用。熱管理所用BLDC風(fēng)扇大部分為4線(xiàn)，而部分老式設計為3線(xiàn)和2線(xiàn)。 4 線(xiàn)風(fēng)扇 此類(lèi)BLDC風(fēng)扇的四根線(xiàn)分別用于供電、接地、轉速表輸出和PWM輸入。典型4線(xiàn)無(wú)刷直流風(fēng)扇如圖1所示。 圖1：典型4線(xiàn)直流風(fēng)扇 4線(xiàn)直流風(fēng)扇包含霍爾效應傳感器，其可以感測轉子轉動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)�；魻栃獋鞲衅鞯妮敵鰹槊}沖串，其周期與風(fēng)扇轉速成反比。每轉產(chǎn)生的脈沖數量取決于風(fēng)扇極數。就最常見(jiàn)的4極無(wú)刷直流風(fēng)扇而言，霍爾效應傳感器的轉速表輸出在每轉會(huì )產(chǎn)生2個(gè)脈沖。如果風(fēng)扇由于機械或其他故障而停止轉動(dòng)，則轉速表輸出信號穩定到某個(gè)邏輯低電平或高電平。此類(lèi)風(fēng)扇轉速單位為每分鐘轉數（RPM）。此類(lèi)風(fēng)扇的轉速表輸出如圖2所示。 圖2：風(fēng)扇轉速表輸出 風(fēng)扇采用標準尺寸，一般為40毫米、80毫米和120毫米。為冷卻應用挑選風(fēng)扇時(shí)，最重要的考慮指標是風(fēng)扇的排風(fēng)量。排風(fēng)量一般用每分鐘立方英尺（CFM）或每分鐘立方米（m3/分鐘）來(lái)衡量。風(fēng)扇葉片的尺寸、形狀和槳距都會(huì )影響風(fēng)扇的排風(fēng)量。小風(fēng)扇在給定時(shí)間內排除相同空氣需要以比大風(fēng)扇更高的轉速運行。 空間受限以及由于物理尺寸限制而需要更小風(fēng)扇的應用所產(chǎn)生的噪聲會(huì )明顯增強。 為了控制產(chǎn)生噪聲，可以配置風(fēng)扇控制器以盡可能低的轉速驅動(dòng)風(fēng)扇，同時(shí)將工作溫度保持在安全限制范圍內。與始終全速運行風(fēng)扇的系統相比，這種方法還可以延長(cháng)風(fēng)扇的使用壽命。 風(fēng)扇制造商在其數據表中指定占空比與RPM關(guān)系，其容差高達±20%。為了確保風(fēng)扇以預期轉速運行，系統設計人員需要以比額定值高20%的轉速運行風(fēng)扇，以確保制造商供應的所有風(fēng)扇都能夠提供足夠的冷卻。這樣可能導致噪聲過(guò)高和功耗增加。 風(fēng)扇制造商會(huì )規定PWM占空比與額定風(fēng)扇轉速的關(guān)系，并通過(guò)數據點(diǎn)表格或關(guān)系圖顯示。圖3舉例說(shuō)明此類(lèi)信息，其中橫軸顯示PWM控制占空比（%），而縱軸顯示RPM風(fēng)扇轉速。 圖3：占空比與速度關(guān)系圖 值得注意的是，在PWM引腳的低占空比狀態(tài)下，所有風(fēng)扇的表現并不一致。某些風(fēng)扇在PWM引腳占空比接近0%時(shí)會(huì )停止旋轉，而有些風(fēng)扇此時(shí)仍繼續轉動(dòng)。這兩種情況下，占空比與RPM關(guān)系可能是非線(xiàn)性關(guān)系，也可能是并未指定。同樣，兩臺相同風(fēng)扇在相同占空比情況下轉速可能不同。在利用占空比與RPM信息時(shí)，應當使用線(xiàn)性區中明確限定風(fēng)扇行為的兩個(gè)數據點(diǎn)。從圖4可以看出，PWM占空比為0情況下轉速并非0。圖4另外說(shuō)明，對于給定的PWM占空比，相同風(fēng)扇具有不同轉速。 圖4：相同風(fēng)扇轉速與占空比對比 風(fēng)扇電纜與連接器 在布線(xiàn)層面，制造商的電線(xiàn)色碼并不一致，但是會(huì )采用標準的連接器引腳分配。圖5顯示連接器底視圖。請注意：連接器帶有鍵控，以防錯誤插入風(fēng)扇控制器板。一般4線(xiàn)風(fēng)扇是配備永磁轉子和電磁定子的BLDC電機，而B(niǎo)LDC電機的整流由風(fēng)扇本身的專(zhuān)用集成電路（ASIC）執行。圖6顯示了4線(xiàn)風(fēng)扇的拆卸組件，其中可以看到定子、轉子與電機控制ASIC。 圖5：4線(xiàn)直流風(fēng)扇連接器引腳分配 圖6：4線(xiàn)風(fēng)扇拆卸 3 線(xiàn)與2 線(xiàn)風(fēng)扇 3線(xiàn)風(fēng)扇端子包括： 1. 直流輸入電源（12V、24V或48V）； 2. 接地； 3. 轉速表輸出。 由于PWM引腳不可用，因此風(fēng)扇轉速必須通過(guò)直流輸入電源的PWM調制進(jìn)行控制，PWM調制可以通過(guò)控制風(fēng)扇的電流來(lái)改變風(fēng)扇轉速。轉速表電路直接通過(guò)直流電源輸入供電。該直流電源輸入還可為電機繞組供電；因此，只有在電機通電情況下才會(huì )啟動(dòng)轉速表電路。從而，只有在PWM占空比處于“開(kāi)啟”狀態(tài)并且風(fēng)扇已經(jīng)通電情況下才能夠獲得正確的轉速表讀數。3線(xiàn)風(fēng)扇與4線(xiàn)風(fēng)扇具有不同的PWM引腳可用性和PWM ON周期轉速表測量值。2線(xiàn)風(fēng)扇端子包括： 1. 直流輸入電源（12V、24V或48V）； 2. 接地。 這里必須通過(guò)調節風(fēng)扇的直流電源來(lái)調節轉速，而此類(lèi)風(fēng)扇沒(méi)有轉速表反饋信息。 3線(xiàn)和2線(xiàn)風(fēng)扇已過(guò)時(shí)，而設計人員現在一直采用4線(xiàn)風(fēng)扇。另外，所選用的鍵控方案使4線(xiàn)風(fēng)扇無(wú)需修改就能夠連接到旨在支持3線(xiàn)風(fēng)扇（無(wú)PWM轉速控制信號）的控制板。本文重點(diǎn)介紹4線(xiàn)風(fēng)扇及其控制方法。 4 線(xiàn)風(fēng)扇控制器 簡(jiǎn)而言之，風(fēng)扇控制器可以定義為能夠根據PWM占空比變化讀取并控制風(fēng)扇轉速的器件。圖7顯示簡(jiǎn)單風(fēng)扇控制器的方框圖。 圖7：風(fēng)扇控制器方框圖 風(fēng)扇控制器的基本模塊包括PWM、磁滯比較器和轉速控制固件�；灸K詳細說(shuō)明如下。 在必須采用單個(gè)風(fēng)扇控制器控制多臺風(fēng)扇的設計中采用多路復用器將來(lái)自風(fēng)扇的轉速表信號多路傳輸到磁滯比較器/干擾濾波器模塊。多路復用器一次會(huì )將一臺風(fēng)扇的轉速表信號連接到磁滯比較器/干擾濾波器模塊。某些風(fēng)扇中的轉速表信號可能存在干擾，因此可能需要磁滯比較器/干擾濾波器來(lái)去除干擾。 定時(shí)器用于測量濾波后轉速表信號的頻率，可以根據等式1計算出RPM值。計算出風(fēng)扇1的RPM值后，通過(guò)多路復用器連接風(fēng)扇2進(jìn)行轉速測量，然后繼續此過(guò)程。通常定時(shí)器測量一個(gè)周期的時(shí)間。 圖8：頻率計數器 定時(shí)器按時(shí)鐘頻率fclock持續增加，并且由輸入信號finput（即：轉速表信號的頻率）鎖存。雙鎖存器能夠從新的計數值減去奇數計數值，從而獲得各個(gè)采樣周期的新累加值。式2說(shuō)明如何計算測得的頻率。 fclock 的選擇方式可以確保定時(shí)器針對必須從風(fēng)扇測量的最低頻率/種子值不會(huì )溢出�？ㄋ里L(fēng)扇（Stuck Fan）會(huì )造成高電平或低電平狀態(tài)，從而導致定時(shí)器溢出。通常溢出視為風(fēng)扇卡死的信號。不同風(fēng)扇控制器采用具有不同分辨率的PWM來(lái)控制風(fēng)扇。高分辨率可以提供更精細的轉速控制。PWM分辨率可以根據系統需要的轉速控制分辨率進(jìn)行選擇�？梢愿鶕刂骑L(fēng)扇所需要的占空比步階精度確定PWM分辨率。 風(fēng)扇轉速控制 由于需要控制的風(fēng)扇轉速容差較大，在采用直接PWM方法的情況下可以通過(guò)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)保持風(fēng)扇額定轉速。 在開(kāi)環(huán)轉速控制中，風(fēng)扇控制器可調節PWM占空比，并可根據主機的指令將風(fēng)扇轉速信息發(fā)送到主機/主控制器。此時(shí)，主機獲得預期轉速與占空比信息，并將從風(fēng)扇控制器讀取實(shí)際轉速，然后命令風(fēng)扇控制器調節占空比轉速信息，以達到預期轉速。圖9所示流程圖以及圖10所示方框圖代表開(kāi)環(huán)轉速控制方法。 圖9：開(kāi)環(huán)轉速控制 圖10：執行開(kāi)環(huán)轉速控制的風(fēng)扇控制器 在閉環(huán)轉速控制中，風(fēng)扇控制器通過(guò)測量實(shí)際轉速和相應調節占空比來(lái)確保風(fēng)扇以預期轉速運行。此時(shí)主機會(huì )指定風(fēng)扇控制器的預期轉速和容差。閉環(huán)轉速控制中的部分參數包括： 1. 預期轉速——主機希望風(fēng)扇運行的轉速。 2. 實(shí)際轉速——例如，風(fēng)扇的數據表說(shuō)明其在占空比1時(shí)以RPM1運行，但是由于容差較大，風(fēng)扇實(shí)際會(huì )以RPM1 ±△運行。RPM1 ±△為風(fēng)扇的實(shí)際轉速，RPM1為風(fēng)扇的預期轉速。實(shí)際上，由于風(fēng)扇的磨損和老化，△值會(huì )顯著(zhù)提高。 3. 容差——此參數規定設置預期風(fēng)扇轉速目標時(shí)的可接受容差。容差設定為預期轉速設置值的百分比。閉環(huán)控制的容差定義如下。 4. 比例、積分、微分（PID）參數——PID參數可以影響風(fēng)扇響應轉速變更請求的方式�？梢葬槍ι仙龝r(shí)間、峰值超調量、穩態(tài)誤差和穩定性分析相關(guān)輸出響應。PID常數的正確調節能夠提供適合某項應用的最佳組合。圖11顯示的是PID閉環(huán)轉速控制。 圖11：閉環(huán)風(fēng)扇PID轉速控制 每個(gè)PID參數（比例、積分與微分）都會(huì )以特定方式影響輸出響應。 ■ 比例參數有助于實(shí)現更快速的響應，但是異常高的值會(huì )導致超調量過(guò)大和不穩定。 ■ 積分參數與比例參數類(lèi)似，但它的一個(gè)主要優(yōu)勢是可使穩態(tài)誤差為零。不過(guò)，高積分參數會(huì )導致超調量過(guò)大。 ■ 微分參數有助于降低超調量與建立時(shí)間。它通常為最小化，因為它會(huì )放大誤差信號的噪聲，從而導致不穩定性。 需要在快速響應和穩定性之間進(jìn)行權衡。在風(fēng)扇控制器應用中，保持穩定的風(fēng)扇響應通常比獲得快速響應時(shí)間更有利，因為系統溫度并不會(huì )迅速改變。 圖12表明，缺乏積分控制以及比例參數值較低會(huì )導致巨大誤差。 圖12：PID調節，P = 30, I = 0, D=0 在引入積分控制后誤差降低到0，但仍然存在超調量過(guò)大的問(wèn)題，如圖13所示。 圖13：PID調節，P = 30, I = 30, D = 0 降低積分參數可以降低峰值超調量，如圖14.所示。 圖14 PID調節，P = 30, I = 20, D = 0 如圖15所示，隨著(zhù)積分參數的進(jìn)一步降低，峰值超調量變?yōu)?，但穩定時(shí)間也隨之增加。 圖15：PID調節，P = 30, I = 5, D = 0 比例參數的降低會(huì )減緩轉速響應，如圖16所示。 圖16：PID調節，P = 15, I = 5, D = 0 積分參數的降低會(huì )增加建立時(shí)間，如圖17所示。 圖17：PID調節，P = 15, I = 2, D = 0 PID轉速控制可以在固件或硬件邏輯中實(shí)現，圖18與圖19分別顯示了硬件與固件中的閉環(huán)實(shí)現。在閉環(huán)轉速控制中，占空比與RPM信息以查詢(xún)表或傳遞函數的方式保存在風(fēng)扇控制器。在閉環(huán)轉速控制的硬件實(shí)現中，轉速控制將在硬件中執行，從而能夠釋放CPU用于執行其它任務(wù)。在需要將CPU用于除風(fēng)扇控制之外的其它進(jìn)程的設計中會(huì )采用這種實(shí)現方式。 圖18：硬件中的閉環(huán)實(shí)現 在閉環(huán)轉速控制的固件實(shí)現中，轉速控制是在固件中執行，而且需要占用大量CPU。在風(fēng)扇控制是微控制器執行的主要進(jìn)程或唯一進(jìn)程的設計中會(huì )采用這種實(shí)現方式。 圖19：固件中的閉環(huán)實(shí)現 風(fēng)扇控制器還涉及幾個(gè)其它參數，如下所示。 風(fēng)扇組 在風(fēng)扇組中，多個(gè)風(fēng)扇共享相同的PWM驅動(dòng)信號；不過(guò)，所有的單獨轉速表反饋信號都連接到單獨端子，以實(shí)現轉速測量。 告警 風(fēng)扇控制器存在各種告警信號。其中最重要的是： 1. 風(fēng)扇故障告警 風(fēng)扇停轉（風(fēng)扇不轉）時(shí)生成此告警。 2. 轉速調節故障告警 在自動(dòng)控制算法無(wú)法使風(fēng)扇達到預期轉速時(shí)會(huì )出現轉速調節故障。當PWM驅動(dòng)已經(jīng)設置為100%但實(shí)際轉速仍然低于預期轉速時(shí)，也會(huì )出現此故障。此外，當PWM驅動(dòng)已經(jīng)設置為0%但實(shí)際轉速仍然高于預期轉速時(shí)，也會(huì )出現此故障。在現實(shí)應用中，這可能意味著(zhù)風(fēng)扇出現了某種機械故障而且無(wú)法再以額定轉速運行。 交錯PWM 在涉及更多風(fēng)扇的設計中，為了避免電流消耗激增并降低噪聲，相關(guān)設計會(huì )要求禁止一次性啟動(dòng)所有風(fēng)扇。為此，此類(lèi)PWM會(huì )讓其上升沿以低延遲交錯。圖20顯示了含14臺風(fēng)扇的設計所采用的交錯PWM。 圖20：含14臺風(fēng)扇的設計所采用的交錯PWM 風(fēng)扇控制器設計片上系統（SoC）架構的適用性 3線(xiàn)或4線(xiàn)風(fēng)扇的控制是通過(guò)MCU中的固件指令來(lái)實(shí)現的——該MCU采用定時(shí)器驅動(dòng)的PWM接口調節PWM周期的占空比和修改實(shí)際風(fēng)扇轉速。一旦風(fēng)扇數量超過(guò)分立PWM的數量，則會(huì )限制基于獨立風(fēng)扇控制的控制與優(yōu)化。 為了計算實(shí)際風(fēng)扇轉速，每臺風(fēng)扇都會(huì )輸出一個(gè)轉速表信號，然后將該信號連接到定時(shí)器，以確定風(fēng)扇的RPM轉速。盡管某些應用不一定在意給定風(fēng)扇的準確RPM，但是該信號對檢測風(fēng)扇停轉或轉子鎖定故障至關(guān)重要。此外，更先進(jìn)的風(fēng)扇控制應用還可將這種轉速表風(fēng)扇響應信息用于嚴密控制系統中的風(fēng)扇轉速，以實(shí)現風(fēng)扇降噪技術(shù)或者盡可能地降低系統中風(fēng)扇的功耗。 采用新一代片上系統（SoC）可以在單個(gè)芯片上實(shí)現所有上述功能，賽普拉斯半導體公司可以提供各種價(jià)位的風(fēng)扇控制器解決方案產(chǎn)品組合（入門(mén)級、中級和高級）。相關(guān)產(chǎn)品組合包括PSoC 1、PSoC 3、PSoC4與PSoC 5系列。 由于能夠獨立控制最多16臺風(fēng)扇，PSoC 3與PSoC 5器件基于可編程邏輯的解決方案可以消除典型MCU實(shí)現的約束。此外，由于能夠對給定系統中的每臺風(fēng)扇進(jìn)行獨立控制和監控，因此您能夠： ● 實(shí)現基于硬件/邏輯的閉環(huán)轉速控制； ● 針對系統維持目標溫度的具體需求來(lái)優(yōu)化每臺風(fēng)扇的轉速，進(jìn)而控制噪聲與能耗水平； ● 實(shí)現先進(jìn)的預測風(fēng)扇故障與風(fēng)扇老化算法。 由于采用硬件實(shí)現的閉環(huán)轉速控制以及能夠支持高達16臺風(fēng)扇以及為其它任務(wù)釋放CPU，用于溫度測量的可配置模擬資源（RTD、熱敏電阻、熱電偶和溫度二極管）使PSoC3/5成為賽普拉斯半導體公司的高級風(fēng)扇控制器解決方案產(chǎn)品。圖21顯示了采用PSoC 3或PSoC 5實(shí)現的完整風(fēng)扇控制器系統。 圖21：采用硬件閉環(huán)控制、基于PSoC3或PSoC 5的風(fēng)扇控制器。 由于采用硬件實(shí)現的閉環(huán)轉速控制以及能夠支持2~14臺風(fēng)扇，用于溫度測量的可配置模擬資源（RTD、熱敏電阻、熱電偶和溫度二極管）使PSoC4成為賽普拉斯半導體公司的入門(mén)級風(fēng)扇控制器解決方案產(chǎn)品。圖22顯示了采用PSoC4實(shí)現的完整風(fēng)扇控制器系統。 圖22：采用硬件閉環(huán)控制、基于PSoC4的風(fēng)扇控制器 由于采用軟件實(shí)現的閉環(huán)轉速控制以及能夠支持2~8臺風(fēng)扇，用于溫度測量的可配置模擬資源（RTD、熱敏電阻、熱電偶和溫度二極管）使PSoC1成為賽普拉斯半導體公司的入門(mén)級風(fēng)扇控制器解決方案產(chǎn)品。圖23顯示了采用PSoC1實(shí)現的完整風(fēng)扇控制器系統。 圖23：采用軟件閉環(huán)控制、基于PSoC1的風(fēng)扇控制器 可以根據表1所示成本與其它參數確定風(fēng)扇控制/熱管理解決方案的具體PSoC系列選型。 表1：PSoC熱管理解決方案 隨著(zhù)賽普拉斯PSoC等現代片上系統（SoC）配套提供的工具能夠顯著(zhù)簡(jiǎn)化這些風(fēng)扇控制系統的開(kāi)發(fā)。PSoC creator是面向基于PSoC 3、PSoC 4和PSoC 5的設計的工具。PSoC designer是面向基于PSoC 1的設計的工具。PSoC creator和PSoC designer提供的IP使設計人員能夠用PSoC快速輕松地開(kāi)發(fā)風(fēng)扇控制器解決方案。這些IP是封裝所有必要硬件模塊的系統級解決方案，其中包括PWM、轉速表輸入捕獲定時(shí)器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器，因此能夠縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和減少開(kāi)發(fā)工作。這些IP在PSoC designer中稱(chēng)為用戶(hù)模塊，在PSoC creator中稱(chēng)為組件。它們可提供易于使用的應用程序接口（API）。API程序使我們能夠通過(guò)固件與組件互動(dòng)。表2列出并說(shuō)明各個(gè)函數的接口。 表2：易于使用的API 圖24：用于PSoC 3、PSoC 4與PSoC 5設計的PSoC Creator風(fēng)扇控制器設計向導 圖25：用于PSoC 1設計的PSoC Designer風(fēng)扇控制器向導 通過(guò)圖形用戶(hù)界面可以定制相關(guān)組件或用戶(hù)模塊，以便設計人員輸入風(fēng)扇機電參數，例如占空比-RPM映射和物理風(fēng)扇組構造。通過(guò)相同用戶(hù)界面可以配置性能參數，包括PWM頻率與分辨率以及開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制方法。在輸入系統參數之后，組件/用戶(hù)模塊可以提供能夠節約PSoC內部資源的最佳實(shí)現方案，以便集成其它熱管理及系統管理功能。提供的易于使用的API使固件開(kāi)發(fā)人員能夠快速啟動(dòng)和運行。圖24顯示的是PSoC Creator的風(fēng)扇控制器設計向導，圖25顯示的是PSoC Designer的風(fēng)扇控制器設計向導。 總之，采用賽普拉斯半導體公司的PSoC作為風(fēng)扇控制器能夠簡(jiǎn)化設計，縮短設計時(shí)間和節約成本。上述解決方案實(shí)例展示了片上系統如何簡(jiǎn)化風(fēng)扇控制器設計。 參考資料 1. AN66627 - PSoC 3與PSoC 5LP智能風(fēng)扇控制器。 2. PSoC智能風(fēng)扇控制器視頻。 3. AN89346 - PSoC 4智能風(fēng)扇控制器。 4. AN78692 - PSoC 1 - 智能風(fēng)扇控制器。 5. 用于BLDC風(fēng)扇的PSoC熱管理擴充板套件。 6. 賽普拉斯熱管理解決方案。 |
