可靠性高、控制靈活、低功耗可調速風扇散熱系統(tǒng)

簡介

工業(yè)以太網(wǎng)交換機和服務器在功率較大時會產(chǎn)生較多熱量，通常需要進行散熱來保證系統(tǒng)正常工作，一般會采用安裝散熱風扇的方案。對于帶溫度測量反饋的可調速風扇散熱系統(tǒng)，根據(jù)對象溫度靈活調節(jié)風扇轉速，同時用MSP430微控制器作為控制平臺，與主機通過I2C接口通信，加入故障檢測和報警功能，具有可靠性高，控制靈活，節(jié)省系統(tǒng)能耗的優(yōu)勢。

系統(tǒng)架構

采用MSP430主控MCU和DRV8871電機驅動芯片結合的系統(tǒng)結構，如圖1所示。系統(tǒng)利用MSP430的片上ADC采集NTC熱敏電阻兩端的電壓，實現(xiàn)低成本的溫度測量功能。另外，主控MCU在輸出可調占空比的PWM波形的同時，預留了I2C通信接口，主機CPU可以給MSP430下達控制命令和讀取溫度、轉速、故障狀態(tài)等信息。通過在散熱系統(tǒng)中加入溫度測量反饋，可根據(jù)待散熱對象的溫度情況，實時控制風扇的轉速，取代單一固定轉速的風扇散熱系統(tǒng)，達到一定的節(jié)能效果。同時，可以在風扇發(fā)生故障失效或者溫度過高時，做出狀態(tài)預警和保護處理。其中，DRV8871電機驅動芯片，最大支持3.6A峰值電流，6.5V到45V的寬供電范圍，集成過流保護、過溫保護和休眠模式等功能。

圖1 系統(tǒng)框圖

此散熱系統(tǒng)方案具有以下特點和優(yōu)勢：

以溫度作為反饋的可調速風扇散熱系統(tǒng)

I2C接口用于主機控制和讀數(shù)據(jù)

TI超低功耗系統(tǒng)微處理器MSP430

靈活的雙調速模式，主機控制和溫度控制

低成本的基于NTC的溫度測量

PWM的占空比控制分辨率達到0.5%

系統(tǒng)故障檢測和保護

高效率、高可靠性的節(jié)能散熱系統(tǒng)

主機I2C接口控制命令協(xié)議

系統(tǒng)主平臺CPU可通過I2C接口與散熱子系統(tǒng)進行通信，讀取散熱子系統(tǒng)的溫度、風扇轉速和系統(tǒng)故障狀態(tài)等信息，同時可通過命令設置系統(tǒng)的轉速，使系統(tǒng)進入或者退出休眠模式。

控制命令包：

命令

參數(shù)1

參數(shù)2

校驗和

返回數(shù)據(jù)包：

溫度

轉速（MSB）

轉速（LSB）

風扇故障狀態(tài)

NTC測量標定和溫度查表
NTC是具有負溫度系數(shù)熱敏電阻，其電阻值隨溫度上升而下降，可用來作為溫度傳感器。考慮到散熱系統(tǒng)對溫度測量精度要求相對不高，系統(tǒng)采用NTC測量溫度的方案，以MSP430的片上ADC作為轉換，具有低成本的優(yōu)勢。電阻值隨溫度有如下關系

其中，是在環(huán)境溫度為（單位為）時對應的NTC阻值，是NTC的溫度常數(shù)。

采用NTC作為傳感器測量溫度，其電路圖如圖2所示。分壓電阻R7與NTC電阻RT1串聯(lián)，中間電壓作為MSP430的ADC模塊的模擬輸入。分壓電阻阻值根據(jù)所選用型號的NTC的數(shù)據(jù)手冊給出的溫度特性選擇，以保證有較好輸入電壓范圍和分辨率。

圖2 NTC測溫電路

因為涉及到復雜的對數(shù)運算，對于低成本精度要求不高的場景，采用實驗測量標定生成溫度與ADC采樣值的對應表格，查表法更適合。首先用溫控設備，標定出溫度與ADC采樣值的表。由測量電路結構可知，ADC采樣值與當前溫度成反比關系，因此測出的數(shù)據(jù)表為順序表，可采用順序查表算法。

圖3查表法測溫度

雙控制模式和軟起動特性

系統(tǒng)支持兩種調速模式，除了采用溫度反饋來調整風扇轉速之外，主機還可通過I2C接口來給MSP430微控制器發(fā)送命令設置當前風扇轉速。當主機發(fā)送設置轉速命令，則系統(tǒng)轉速主機控制轉速模式，風扇轉速由主機所給命令參數(shù)決定，當需要退出主機控制模式，則發(fā)送退出設置轉速模式命令，即轉為溫度反饋控制模式。另外，為了防止風扇在啟動和停止或者從一個較低的速度突然加速到高速時，電機電流過大，在MSP430的控制軟件中加入了緩步軟啟動的代碼，風扇將從當前轉速以一定的步長逐步變化到設定轉速。

圖4 雙控制模式