加快風(fēng)扇速度控制設(shè)計(jì)

討論了控制無刷直流冷卻風(fēng)扇的速度。圖中顯示了分立式和IC風(fēng)扇速度控制器的示例。本文介紹了 12V、24V 和 48V 設(shè)計(jì)以及隔離版本。討論了用于速度控制的轉(zhuǎn)速表反饋。

PC和其他類型電子設(shè)備中常用的無刷直流風(fēng)扇的速度控制因其非線性行為而變得復(fù)雜。如圖1所示，在電壓達(dá)到高度可變的啟動(dòng)電壓之前，電機(jī)根本不運(yùn)行，并且速度僅近似線性超過該點(diǎn)。

圖1.此圖顯示了典型無刷直流風(fēng)扇的電壓與速度的關(guān)系。風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)在 3V 至 5V 之間啟動(dòng)，但很難預(yù)測(cè)確切的啟動(dòng)電壓。確切的點(diǎn)因風(fēng)扇的使用壽命和環(huán)境條件而異。盡管該圖在起點(diǎn)上方是線性的，但大多數(shù)風(fēng)扇僅近似于電壓與速度的線性關(guān)系。閉環(huán)風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)克服了所有這些困難。

調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度的電路可以克服這些困難。帶轉(zhuǎn)速計(jì)輸出的電機(jī)的可用性有助于這些電路的設(shè)計(jì)。

基本的風(fēng)扇控制放大器

一段時(shí)間以來，已經(jīng)有集成電路（IC）可用，其中包括用于控制風(fēng)扇速度的DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）。這些電路包括PC系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)器和專用風(fēng)扇控制IC，如MAX1669，具有線性DAC輸出和PWM輸出。雖然這些IC主要設(shè)計(jì)用于PC，但已用于其他類型的電子設(shè)備。他們配備了I2C 或 SMBus 接口，用于與控制器、處理器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。通常，DAC輸出被饋入兩種類型的模擬放大器電路中的任何一種，以升壓其電壓輸出，以應(yīng)用于風(fēng)扇。

這些系統(tǒng)是“開環(huán)”的，并受啟動(dòng)電壓要求的約束。一種常見的方法是在降低風(fēng)扇以達(dá)到所需速度之前，將全電壓饋送到風(fēng)扇一小段間隔。最低可行速度是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的，由于它隨時(shí)間和條件而變化，因此需要不斷重新驗(yàn)證。

圖2描述了一個(gè)簡單的基于DAC的開環(huán)風(fēng)扇控制的原理圖。它受啟動(dòng)限制的約束。雖然通常與配備轉(zhuǎn)速計(jì)輸出的風(fēng)扇一起使用，但I(xiàn)C僅使用這些轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)來監(jiān)控風(fēng)扇速度并確定速度是否低于“看門狗”限制。由于這些轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)非常普遍，因此很容易有機(jī)會(huì)關(guān)閉風(fēng)扇控制的環(huán)路。

圖2.簡單的開環(huán)風(fēng)扇控制由一些健康監(jiān)測(cè)器、超級(jí)I/O和MAX1669典型的風(fēng)扇控制器提供。這種設(shè)計(jì)可以通過任何DAC和任何接口來實(shí)現(xiàn)。健康監(jiān)測(cè)器IC始終具有轉(zhuǎn)速表的輸入，但僅作為看門狗功能，以便主機(jī)系統(tǒng)可以驗(yàn)證風(fēng)扇是否以最低速率運(yùn)行。轉(zhuǎn)速表信號(hào)不直接用于風(fēng)扇控制。由于啟動(dòng)問題，DAC的某些范圍丟失，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)際上對(duì)7位DAC的風(fēng)扇速度控制不到8位。

閉環(huán)風(fēng)扇控制放大器

通過使用閉合轉(zhuǎn)速表環(huán)路的外部放大器，可以對(duì)DAC驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇控制器進(jìn)行增強(qiáng)。這種方法基本上可以對(duì)從8到0的整個(gè)255位DAC代碼范圍進(jìn)行線性控制。由于轉(zhuǎn)速表已經(jīng)存在，因此這種修改只需要一些信號(hào)調(diào)理和合適的放大器布置。在圖3所示電路中，對(duì)轉(zhuǎn)速計(jì)脈沖進(jìn)行調(diào)理，以便去除（區(qū)分）所有脈沖寬度信息，僅保留脈沖速率信息。然后，代表頻率或風(fēng)扇速度的脈沖用作積分電機(jī)控制放大器的反饋。

圖3.該閉環(huán)風(fēng)扇控制放大器與圖2所示的IC配合使用。該設(shè)計(jì)使用轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)進(jìn)行反饋。這提供了對(duì)DAC整個(gè)輸出范圍的線性控制。風(fēng)扇將在任何設(shè)置下可靠地啟動(dòng)，而無需先將風(fēng)扇全速啟動(dòng)。

微分器的時(shí)間常數(shù)最初設(shè)置為在風(fēng)扇全速下提供的脈沖剛好短于最短轉(zhuǎn)速計(jì)脈沖的持續(xù)時(shí)間。這通常提供的收益太少?？梢酝ㄟ^減小R2或C1的值來增加增益。應(yīng)設(shè)置增益，使風(fēng)扇剛好達(dá)到全速，并將全DAC輸出施加到放大器電路的輸入端。

積分器的時(shí)間常數(shù)設(shè)置為對(duì)速度變化提供平滑響應(yīng)，而不會(huì)產(chǎn)生任何過沖或搜尋。通常，這是根據(jù)實(shí)際風(fēng)扇和系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)完成的。圖4和圖5中的曲線顯示了放大器在積分電容C2在0.1μF和1.0μF兩個(gè)值下的響應(yīng)。 這些值中的任何一個(gè)都符合慣常的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，這決定了過沖小于25%。

圖4.該圖描繪了一個(gè)具有0.01μF積分電容的閉環(huán)風(fēng)扇控制放大器響應(yīng)階躍變化輸入。

圖5.該圖描繪了一個(gè)具有1μF積分電容的閉環(huán)風(fēng)扇控制放大器響應(yīng)階躍變化輸入。

風(fēng)扇調(diào)節(jié)集成解決方案

使用專用IC（如MAX6650/MAX6651）大大簡化了風(fēng)扇調(diào)速設(shè)計(jì)。

MAX6650設(shè)計(jì)用于控制單個(gè)風(fēng)扇。MAX6651控制單個(gè)風(fēng)扇，可以監(jiān)視并充當(dāng)另外三個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計(jì)輸出的看門狗。多個(gè)MAX6651可以同步以控制多個(gè)風(fēng)扇。這些風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)器與 I 接口2C 或 SMBus 并使用來自風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速計(jì)反饋來調(diào)節(jié)其速度。廣泛的可編程性可適應(yīng)各種風(fēng)扇速度和類型。圖6所示為MAX6650的典型連接方式。

圖6所示，MAX6650/MAX6651與外部調(diào)整管配合使用。由于MAX6650/MAX6651的輸出級(jí)是模擬DAC和放大器組合，因此反饋從晶體管的漏極獲取到標(biāo)有FB的IC上的端子。這種DAC/放大器組合需要本地反饋。完整環(huán)路的反饋實(shí)際上是風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)，這也返回到MAX6650/MAX6651。這些器件將驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，直到轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)與MAX6650/MAX6651速度寄存器中的編程周期相匹配。

圖6.MAX6650為風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)提供完整的集成、可接口方案。

控制高壓風(fēng)扇

有些風(fēng)扇的額定電壓范圍為24V至48V，MAX6650/MAX6651可以很容易地用于控制這些高壓風(fēng)扇。只需將反饋和轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)衰減到與實(shí)際電源和 12V 之差成正比的量即可。實(shí)質(zhì)上，MAX6650/MAX6651可以被“欺騙”，認(rèn)為它控制著一個(gè)12V風(fēng)扇。這種修改是通過反饋和轉(zhuǎn)速計(jì)輸出上的簡單衰減網(wǎng)絡(luò)完成的。

當(dāng)設(shè)置這些衰減器的值時(shí)，TACHO引腳上的轉(zhuǎn)速計(jì)反饋信號(hào)應(yīng)始終保持比FB引腳上的電壓更正。這是在FB網(wǎng)絡(luò)上以稍大的衰減完成的。FB網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上可以容忍很寬范圍的衰減，因?yàn)檫@只設(shè)置MAX6650/MAX6651輸出級(jí)的本地增益。該輸出級(jí)仍然包含在由TACHO信號(hào)形成的更大反饋環(huán)路中。

圖7所示為MAX6650/MAX6651連接至更高電壓風(fēng)扇的電路。R1應(yīng)足夠大，以避免加載上拉電阻，R上拉.R1和R2的衰減因子設(shè)置為與12V以上電壓增加成正比的衰減因子。例如，在圖7中，R1和R2將轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)衰減到風(fēng)扇值的四分之一，因?yàn)轱L(fēng)扇工作在48V。確定R1和R2的衰減因子后，選擇R3和R4具有稍大的衰減因子，以便反饋電壓始終比轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)更負(fù)。在圖7中，反饋信號(hào)是Q1漏極值的五分之一。轉(zhuǎn)速計(jì)和反饋信號(hào)之間的關(guān)系如圖8所示的示波器軌跡所示。這種衰減關(guān)系是必要的，因?yàn)檗D(zhuǎn)速計(jì)閾值（以FB引腳為參考）比FB引腳高約1.25V。

圖7.該電路使MAX6650能夠通過將反饋和轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)衰減到類似于48V風(fēng)扇產(chǎn)生的電平來控制12V風(fēng)扇。在此設(shè)計(jì)中，選擇具有足夠額定電壓的 MOSFET。最差情況耗散將為 0.25 × I扇× V扇，其中我扇是風(fēng)扇的額定電流和V扇是 24V 至 28V 電源。在確定散熱要求時(shí)，請(qǐng)考慮這一點(diǎn)。

圖8.左邊的示波器照片是在 780 rpm 下拍攝的，驅(qū)動(dòng) 48V 電機(jī)。正確的跡線是在 1526 rpm 下拍攝的。方波是MAX6650轉(zhuǎn)速計(jì)引腳上的轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)。直線是MAX6650FB引腳的反饋。請(qǐng)注意，在風(fēng)扇的工作范圍內(nèi)，F(xiàn)B引腳上的電壓比TACHO引腳的負(fù)電壓更大。這是通過將圖3中的R4/R7組合設(shè)置為比R1/R2組合稍大的衰減來確保的。

隔離風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)

在某些系統(tǒng)中，風(fēng)扇的高波動(dòng)接地電流會(huì)因接地回路而引起噪聲問題。接地環(huán)路問題很容易通過電流隔離來解決。圖9的原理圖可用于隔離任何I2C或SMBus風(fēng)扇控制器，包括前面提到的MAX1669或MAX6650/MAX6651。該電路利用已經(jīng)隔離的風(fēng)扇電源，使得MAX6650/MAX6651不必包括一個(gè)單獨(dú)的昂貴的隔離式5V DC-DC轉(zhuǎn)換器。MAX6330/MAX6331并聯(lián)穩(wěn)壓器提供了一種經(jīng)濟(jì)可靠的48V電壓調(diào)節(jié)方式。MAX23/MAX6330的SOT6331封裝與5W壓降電阻的尺寸相結(jié)合，優(yōu)于調(diào)整穩(wěn)壓器和散熱器。此外，5W電阻比散熱器更容易安裝，安裝成本更低。

圖9.隔離式風(fēng)扇控制電路在高風(fēng)扇電流產(chǎn)生的接地噪聲可能成為問題的情況下非常有用。IC1和IC2包括一個(gè)用于數(shù)據(jù)線的雙向數(shù)字隔離器。由于MAX6650/MAX6651僅作為時(shí)鐘輸入，因此IC3時(shí)鐘可以使用單向隔離。IC4是耦合的可選補(bǔ)充。

在圖9中，雙向光隔離器電路隔離數(shù)據(jù)線。雙向隔離器電路在前面的文獻(xiàn)中已經(jīng)描述過。1,2IC1和IC2連接在一起，因此兩端的低電平導(dǎo)致另一側(cè)的低電平，而無需隔離器電路鎖存。

幾乎所有的 I2這里討論的 C 和 SMBus 器件具有僅輸入的時(shí)鐘引腳（而不是某些 I2C IC，可以通過保持低時(shí)鐘來“拉伸”時(shí)鐘）。這種設(shè)計(jì)只需要一個(gè)單向隔離器，從而簡化了隔離。這些器件中的大多數(shù)還具有看門狗或報(bào)警輸出，可通過另一個(gè)單向隔離器耦合回控制器。

風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)與風(fēng)扇速度控制

閉環(huán)風(fēng)扇控制克服了控制直流無刷風(fēng)扇所涉及的固有非線性。然后，風(fēng)扇控制變?yōu)轱L(fēng)扇速度調(diào)節(jié)。即使在風(fēng)扇與風(fēng)扇之間以及由于老化而變化的情況下，也能確保精確的風(fēng)扇速度。通過可用的風(fēng)扇控制和健康監(jiān)測(cè)IC，通過在輸出端使用閉環(huán)放大器電路，可以輕松實(shí)現(xiàn)閉環(huán)風(fēng)扇調(diào)節(jié)。最近，IC提供閉環(huán)風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)。

這些相同的方法很容易適應(yīng)滿足更有限需求的電路。電信等許多應(yīng)用都使用48V風(fēng)扇，這些電路和IC可以適應(yīng)該用途。電流隔離方法可以解決風(fēng)扇電流尖峰大時(shí)偶爾出現(xiàn)的混亂接地環(huán)路問題。

審核編輯：郭婷