如何使用GreenPAK為PC風(fēng)扇構(gòu)建PWM控制器

本文介紹了如何使用DialogGreenPAK可配置混合信號IC構(gòu)建12VPC風(fēng)扇PWM控制器。該項目涉及旋轉(zhuǎn)編碼、PWM控制、PCB設(shè)計和C#應(yīng)用程序編程。

該設(shè)計最多可控制16個3針電腦風(fēng)扇，使用一對DialogGreenPAK可配置混合信號IC來控制每個風(fēng)扇的占空比，并包括兩種改變風(fēng)扇速度的方法：

帶有正交/旋轉(zhuǎn)編碼器和

使用Windows應(yīng)用程序—內(nèi)置于C#中，通過I2C與GreenPAK進行通信。

系統(tǒng)框圖

圖1.系統(tǒng)框圖

SLG46108旋轉(zhuǎn)解碼器設(shè)計

為了手動增加或減少風(fēng)扇的占空比，我們使用了旋轉(zhuǎn)編碼器。該設(shè)備在相隔90°的通道A和通道B輸出上輸出脈沖。有關(guān)旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理的更多信息，請參見AN-1101：非時鐘正交解碼器。

圖2.旋轉(zhuǎn)編碼器框圖

然后，我們使用DialogGreenPAKSLG46108創(chuàng)建了一個時鐘旋轉(zhuǎn)解碼器來處理通道A和通道B信號并將它們輸出為逆時針（CCW）和順時針（CW）脈沖。

當(dāng)通道A領(lǐng)先于通道B時，設(shè)計會在CW上輸出一個短脈沖。當(dāng)通道B超前通道A時，它在CCW上輸出一個短脈沖。

圖3.GreenPAKSLG46108旋轉(zhuǎn)解碼器設(shè)計

我們使用3個DFF將通道A輸入與時鐘同步。同樣，我們使用管道延遲，將OUT0設(shè)置為2個DFF，將OUT1設(shè)置為3個DFF，為通道B創(chuàng)建相同的功能。

然后，我們使用一些LUT來創(chuàng)建CW和CCW輸出。有關(guān)此標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)解碼器設(shè)計的更多信息，請訪問此網(wǎng)站。

最后，GreenPAKRotaryDecoder將接收到下圖中的輸入脈沖A和B，并輸出如圖所示的CW和CCW脈沖。

圖4.旋轉(zhuǎn)信號時序圖

異或門之后的電路確保不會同時出現(xiàn)CW脈沖和CCW脈沖，以防旋轉(zhuǎn)編碼器出現(xiàn)錯誤。CW和CCW信號上的8ms下降沿延遲迫使它們在8ms加1個時鐘周期內(nèi)保持高電平，這對于下游SLG46826GreenPAK是必需的。

SLG46826風(fēng)扇控制器設(shè)計

圖5.GreenPAKSLG46826風(fēng)扇控制器設(shè)計

使用偏移計數(shù)器生成PWM

為了生成PWM信號，我們使用了一對具有相同周期的偏移計數(shù)器。第一個計數(shù)器設(shè)置DFF，第二個計數(shù)器將其重置，從而創(chuàng)建一致的占空比PWM信號，如下所示。

圖6.PWM生成時序圖

圖7.使用偏移計數(shù)器生成PWM

CNT6設(shè)置DFF10，CNT1的反相輸出復(fù)位DFF10。引腳18和19用于將PWM信號輸出到外部電路。

具有時鐘注入和時鐘跳躍的占空比控制

風(fēng)扇控制器接收來自旋轉(zhuǎn)解碼器的CW和CCW信號作為輸入，并使用它們來增加或減少控制風(fēng)扇速度的PWM信號。我們通過幾個數(shù)字邏輯組件實現(xiàn)了這一點。

我們需要做的是使占空比在我們接收到CW脈沖時增加。我們可以通過向CNT6模塊注入一個額外的時鐘脈沖來實現(xiàn)這一點，使其比其他方式早一個時鐘周期輸出。您可以在下面的時序圖中看到此過程。

圖8.時鐘脈沖注入

CNT1仍以恒定速率獲得時鐘，但CNT6注入了幾個額外的時鐘。每當(dāng)計數(shù)器有一個額外的時鐘時，它就會將其輸出向左移動一個時鐘周期。

相反，如果我們想降低占空比，我們需要為CNT6跳過一個時鐘脈沖。您可以在下圖中看到該過程，其中CNT1仍然以恒定速率獲得時鐘，而CNT6有跳過的時鐘脈沖，其中計數(shù)器沒有按預(yù)期獲得時鐘。這樣我們就可以將CNT6的輸出一次向右推一個時鐘周期，從而縮短輸出PWM占空比。

圖9.時鐘脈沖跳躍

我們使用GreenPAK中的一些數(shù)字邏輯元件實現(xiàn)了時鐘注入和時鐘跳躍功能。我們使用一對多功能塊來創(chuàng)建一對鎖存器/邊緣檢測器組合。4位LUT0用于在通用時鐘信號（CLK/8）和時鐘注入或時鐘跳躍信號之間進行復(fù)用。此功能將在第5.2.2節(jié)防止占空比翻轉(zhuǎn)中更詳細地描述。

按鈕輸入

BUTTON輸入去抖20ms，然后用于觸發(fā)一個鎖存器，該鎖存器將確定是否選擇了該特定芯片。如果選擇它，則4位LUT將傳遞時鐘跳躍或注入信號。如果未選擇芯片，則4位LUT將簡單地傳遞CLK/8信號。

圖10.時鐘跳躍和時鐘注入

防止占空比翻轉(zhuǎn)

RS鎖存器3位LUT5和3位LUT3用于確保您不能注入或跳過太多時鐘，以免偏移計數(shù)器翻轉(zhuǎn)。我們不想讓系統(tǒng)達到100%的占空比，然后如果它接收到另一個注入的時鐘，則翻轉(zhuǎn)到1%的占空比。

RS鎖存器通過在系統(tǒng)距離翻轉(zhuǎn)1個時鐘周期時鎖存多功能模塊的輸入來防止這種情況發(fā)生。我們使用一對DFF將PWM_SET和PWM_nRST信號延遲一個時鐘周期，如下圖所示。

圖11.BLOCK_CW和BLOCK_CCW

然后，我們使用一對LUT來創(chuàng)建必要的邏輯。如果我們的占空比太低以至于延遲的PWM_SET信號與PWM_nRST信號同時出現(xiàn)，我們不想進一步降低占空比，否則我們將翻轉(zhuǎn)。

圖12.最小占空比翻轉(zhuǎn)情況

同樣，如果我們正在接近最大占空比，從而延遲的PWM_nRST信號與PWM_SET信號同時出現(xiàn)，我們不想進一步增加占空比。在這種情況下，我們需要將nRST信號延遲2個時鐘周期，以確保系統(tǒng)不會從99%翻轉(zhuǎn)到1%。

圖13.最大占空比翻轉(zhuǎn)情況

具有I2C的占空比控制

該設(shè)計采用了另一種控制占空比的方法，而不是時鐘跳躍/時鐘注入。我們可以使用外部微控制器向GreenPAK寫入I2C命令，以編程方式設(shè)置占空比。

圖14.I2C占空比控制

如上圖中的紅色標(biāo)簽所示，控制I2C上的占空比需要控制器執(zhí)行特定的命令序列。這些命令在下表中按順序顯示?！皒”表示用戶不應(yīng)更改的位，“［”表示START位，“］”表示STOP位。

表1.I2C命令

PDLY模塊在CLK/8信號的下降沿產(chǎn)生一個短的高電平有效脈沖，我們稱之為！CLK/8。該信號用于以穩(wěn)定頻率為DFF14提供時鐘。當(dāng)I2C_SET異步變高時，！CLK/8的下一個上升沿將導(dǎo)致DFF14輸出HIGH，這將觸發(fā)CNT5OneShot。OneShot將運行上表中“寫入CNT5”I2C命令中指定的用戶寫入的時鐘周期數(shù)。在這種情況下，它是10個時鐘周期。OneShot允許25MHz振蕩器準(zhǔn)確運行其持續(xù)時間，并且不再讓3位LUT0接收用戶寫入CNT5的時鐘周期數(shù)。

下圖顯示了這些信號，其中紅色時鐘是發(fā)送到3位LUT0的信號，LUT0將它們傳遞到CNT6（PWM_SET計數(shù)器），從而為占空比生成創(chuàng)建偏移量。

圖15.使用I2C加載占空比（頻率不按比例）

轉(zhuǎn)速表讀數(shù)

如果需要，用戶可以讀取I2C上的轉(zhuǎn)速計值，通過讀取CNT2值來跟蹤風(fēng)扇轉(zhuǎn)動的速度。CNT2將在每次ACMP0H出現(xiàn)上升沿時遞增，并且可以通過I2C命令異步復(fù)位。（請注意，這是一個可選功能，ACMP0H的閾值需要根據(jù)正在使用的特定風(fēng)扇的規(guī)格進行調(diào)整。）

圖16.轉(zhuǎn)速計部分

表2.I2C命令

外部電路設(shè)計

圖17.風(fēng)扇控制器框圖

外部電路相當(dāng)簡單。有一個按鈕連接到GreenPAK的Pin6以切換是否選擇此特定設(shè)備進行旋轉(zhuǎn)控制，以及連接到Pin12和Pin13的LED以指示何時選擇設(shè)備。

由于風(fēng)扇的電壓為12伏，因此我們需要一對FET來控制其開關(guān)。GreenPAK的Pin18和Pin19驅(qū)動一個nFET。當(dāng)nFET開啟時，它將pFET的柵極拉低，將風(fēng)扇連接到+12V。當(dāng)nFET關(guān)閉時，PFET的柵極被1k電阻上拉，從而斷開風(fēng)扇從+12v。

PCD設(shè)計

我們將幾塊PCB放在一起來對我們的設(shè)計進行原型設(shè)計。左側(cè)的PCB是“風(fēng)扇控制器”，其中包含旋轉(zhuǎn)編碼器、12v插孔、SLG46108GreenPAK和FT232HUSB到I2C分線板的連接器。右側(cè)的兩個PCB是“風(fēng)扇板”，其中包含SLG46826GreenPAK、按鈕、開關(guān)、LED和風(fēng)扇接頭。

圖18.PCB和連接器

每個風(fēng)扇板的左側(cè)都有一個帶罩的公頭，右側(cè)有一個母頭，因此它們可以菊花鏈?zhǔn)竭B接在一起。每個風(fēng)扇板都可以填充資源以獨立控制2個風(fēng)扇。

C#應(yīng)用程序

我們編寫了一個C#應(yīng)用程序來通過FT232HUSB-I2C橋接我們的風(fēng)扇板。此應(yīng)用程序可用于通過應(yīng)用程序生成的I2C命令調(diào)整每個風(fēng)扇的頻率。

圖19.C#應(yīng)用程序GUI

應(yīng)用程序?qū)⒚棵雽λ?6個I2C地址執(zhí)行一次ping操作，并使用存在的從地址填充GUI。在這種情況下，我們將風(fēng)扇1（從地址0001）和風(fēng)扇3（從地址0011）連接到電路板。用戶可以通過移動滑塊或在滑塊下方的文本框中輸入0-256的值來單獨調(diào)整每個風(fēng)扇的占空比。

項目結(jié)論

在本文中，我們使用一些DialogGreenPAK可配置混合信號IC創(chuàng)建了一個功能齊全的12vPC風(fēng)扇PWM控制器。通過我們的設(shè)計，我們能夠使用旋轉(zhuǎn)編碼器或C#應(yīng)用程序獨立控制多達16個風(fēng)扇（因為有16個可能的I2C從地址）。我們演示了如何使用一對偏移計數(shù)器生成PWM信號，以及如何在不翻轉(zhuǎn)的情況下增加和減少該信號的占空比。