使用PWM控制直流風扇

1、1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublidiingHouse.Allrightsreserved2012.5fflassamramMi59使用PWM控制直流風扇I美高森美公司高級市場解決方案經(jīng)理IIRufmoOlay|專題報道featureReport1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublidiingHouse.Allrightsreserved2012.5fflassamramMi59|專題報道featureReport1994-2012ChinaAcademicJournalElectronic

2、PublidiingHouse.Allrightsreserved2012.5fflassamramMi59圖1轉(zhuǎn)速計脈沖winJKmnjWLnjLnjunnmmnnmmnmnn圖2轉(zhuǎn)速計脈沖的重建sLTLTLrJJLTLrTTUL“WUWWWUWUWU1_Tinmmfwwwum風扇應用概述最近幾年來，業(yè)畀對于利用集成電路控制用于各種電子設(shè)備的冷卻風扇速度的興趣直在電子產(chǎn)品.尤其消費電子產(chǎn)品的尺寸，毎天都在顯著減小，但是由于在芯片上運行的應用程序日趨復雜，芯片產(chǎn)生的熱屋卻在增加。有兩種方式可以去除所產(chǎn)生的熱屆。一種方法就是使用無源元件，比如散熱器和熱導管，第二種方法就是使用有源元件，比如冷卻風

3、扇。在許多消費和其它產(chǎn)品中，可以觀察到無源元件由于尺寸和成本原因而無法勝任使用冷卻風扇町在擒源周出產(chǎn)生氣流，是去除熱量的有效方法。不過，在系統(tǒng)中增加冷卻風扇將會增加功耗。對于電池供電的系統(tǒng)，這是一個貢要因素。另外，因為冷卻風扇是機械部件，因而會產(chǎn)生噪聲。通過控制風扇速度，可以冇效地解決以上問題。風扇任較低轉(zhuǎn)速下運行所消耗的功率較少，這可延丘電池壽命，又能減少風扇發(fā)出的噪聲，并増加風眉的使用期限?？刂扑俣鹊姆椒?開/關(guān)(ON/OFF)控制：這是最簡單的方法。當特定尤件的溫度超出閾值時，可以使用驅(qū)動信號開啟風扇；或者當溫度低F閾值時關(guān)閉風扇。雖然該方法非常簡草，但缺點是任接通的這一刻，風扇以全速運

4、轉(zhuǎn)并因此消耗了最大功率且產(chǎn)生了噪聲。線性控制：此方法通過調(diào)壓器來控制施加在風扇匕的DC電壓。降低電壓可以使風扇以較低的速度運轉(zhuǎn)，且可增加電壓使爪扇以較高的速度運轉(zhuǎn)。此方法的優(yōu)勢是電壓始終施加在風扇上。因此，在任何時候，轉(zhuǎn)速計(tacho)信號都會存在并被測命。這在脈寬調(diào)制控制技術(shù)中是不可能的。此方法的缺點是使用調(diào)斥器將増加線路板的成本和空間，并且需要專用控制器來控制調(diào)圧器。PWM控制：最廣泛用于風扇轉(zhuǎn)速控制的方法就是PWN4控制。在此方法中.PWM驅(qū)動信號施加到連接*風扇的高側(cè)成低側(cè)的場效應晶體管(field-effecttransistor,FET)上。在特定頻率h開關(guān)風扇，通過PWM信號的

5、占空比(dutycycle)來控制風扇轉(zhuǎn)速，而施加在風扇上的電壓始終為CEMI專題報道IFeatureReportCEMI專題報道IFeatureReport圖3使用SmartFusioncSoC的2線風扇轉(zhuǎn)速控制電路圖4使用SmartFusioncSoC和FET的3線風扇轉(zhuǎn)速控制電路圖5使用SmartFusioncSoC和達靈頓復合晶體管(DarlingtonPair)的3線風扇轉(zhuǎn)速控制電路全或零。此方法的最大優(yōu)勢足設(shè)計簡單、外部電路少、且成本低。缺點是因為電壓并不總是施加在風扇上，轉(zhuǎn)速計信號將被PWM衆(zhòng)動信號大幅削減。實際上，轉(zhuǎn)速計信號將跟隨PWM信號而變化。要避開這個問越，應該采用脈沖展

6、寬”技術(shù)來獲得轉(zhuǎn)速計信息。圖1顯示了由JPWM驅(qū)動信號的存在，經(jīng)大幅削減/改變后的轉(zhuǎn)速計伯號。圖2顯示了使用脈沖展寬原理從實際轉(zhuǎn)速計信號中重建轉(zhuǎn)速計信號。DC風扇的類型有三種主要的DC風扇類里:1.2線風扇3線風扇4線風扇2線風扇有兩個引腳：電源和接地。此風扇可以通過改變DC電壓或者通過使用低頻PWM驅(qū)動倍號來控制。2線風扇沒有轉(zhuǎn)速計佶號，因而沒有用于測冒風用轉(zhuǎn)速的信息。此類控制被稱為“開環(huán)”。圖3顯示了采用SmartFusioncSoC實現(xiàn)的2線風扇電路實例。3線風扇有三個引腳：電源、接地和轉(zhuǎn)速計。此M.扇可以通過改變DC電壓或者通過使用低頻PWM驅(qū)動信號來控制。3線風扇冇轉(zhuǎn)速計信號，顯示了

7、風扇轉(zhuǎn)速。用戶可以基于轉(zhuǎn)速計讀取值，調(diào)節(jié)風朗轉(zhuǎn)速，這可以稱為“閉環(huán)”控制。在某些情況下，3線風扇還可以采用開環(huán)方式來控制。圖4和圖5顯示了采用SmartFusioncSoC來實現(xiàn)的3線風扇電路實例。4線風扇有四個引腳：電源、接地、轉(zhuǎn)速計和PWM輸入。PWM輸入用于控制風扇轉(zhuǎn)速。在一個4線風扇中，電源只給線圈供電.而不是用于整個風扇的電源開/關(guān)，因此可以獲得任何時間點的轉(zhuǎn)速計信息。此類風扇不需要脈沖展寬技術(shù)。為減少整流噪聲，PWM頻率可以提高到20KHz以上。采用此方法，可以去除可聽范的的越流線圈嗥訶。圖6顯示了采用SmartFusioncSoC實現(xiàn)的4線風扇電路實例。設(shè)計概述SmartFusi

8、oncSoC是唯-集成有FPGA、32位ARMCortex-M3處理器、可編程模擬部件和豐富接口的器件。這些獨特特性使得SmartFusioncSoC成為DC風扇轉(zhuǎn)速監(jiān)測和控制應用的理想選擇。本文將說明如何利用SmartFusioncSoC的特性，演示如何控制不同類型的DC風扇，包括2線、3線和4線風扇，以及如何定制設(shè)計以滿足特定需求。60迥1*21陰S基盤電子12012.5|專題報道|FeatureReport1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreserved|專題報道|FeatureReport19

9、94-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreserved圖6使用SmartFusioncSoC的4線風扇轉(zhuǎn)速控制電路PWMDnveSai圖7風扇控制器的架構(gòu)圖8智能設(shè)計中的風扇控制器M5SASSET心3心TACXO0JI特性配置和轉(zhuǎn)速控制器此模塊使用軟件來實現(xiàn).將運行于SmartFusionCortcx-M3處理器匕。配置和轉(zhuǎn)速控制器有兩個第本任務(wù)：從GUI應用中獲得據(jù)和設(shè)直合適的寄存器，以及控制風扇轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速控制器設(shè)置了PWM,其在FPGA結(jié)構(gòu)中實現(xiàn).并從轉(zhuǎn)速計測量單元中獲御轉(zhuǎn)速計測量值，測量單元也在FPGA結(jié)

10、構(gòu)中實現(xiàn)?；谶@種配置,它可以自動控制風扇轉(zhuǎn)速。所支持的特性如下：極數(shù)：這指定了每周期轉(zhuǎn)速計脈沖的數(shù)目，當前方案支持最高8個電極。PWM頻率：這指定了風扇驅(qū)動信號的頻率這町以以外部電路為基礎(chǔ).配置為不同的須率來適應不同類空的風扇.量大RPM轉(zhuǎn)速：這指定了風扇的最大RPM轉(zhuǎn)數(shù)、在計算PWM占空比中使用，用于開環(huán)配置中規(guī)定的RPM。量小占空比：這指定了開啟風扇所需的最小PWM占空比。它隨不同的風扇而改變，因為風扇的高側(cè)或低側(cè)連接至FET/BJT驅(qū)動電路。2線/3線/4線支持：基F選擇.轉(zhuǎn)速控制器管理君特定風扇的運轉(zhuǎn)和控制對于2線風扇，控制器計算并設(shè)置PWM占空比，以展人RPM和最小PWM占空比為基

11、礎(chǔ)，這里假定風扇轉(zhuǎn)速相對PWM占空比為線性。對于？線風扇，控制器進行脈沖展寬，讀取轉(zhuǎn)速計值，垂新計算并然后設(shè)置PWM占空比；此過程在閉環(huán)中持續(xù)不斷。任開環(huán)中，控制器以最大RPM和最小PWM占空比為基礎(chǔ)，計算并設(shè)置PWM占空比，這里假定風扇轉(zhuǎn)速相對PWM占空比為線性。對于4線風扇、控制器讀取轉(zhuǎn)速計值，亜新計算并設(shè)置PWM頻率。此過程住閉環(huán)中持續(xù)不斷。在壞路中，控制器以XRPM和最小PWM占空比為基礎(chǔ)，計算并設(shè)KPWM占空比這里假定風扇轉(zhuǎn)速相對PWM占空比為線性?？刂品椒ㄈ缦拢洪_環(huán)：方法足基于呆大RPM和最小PWM占空比來計算所霜RPM的PWM占空比假定風扇轉(zhuǎn)速相對PWM占空比為線性以及沒有慕于轉(zhuǎn)

12、速計測凰反鎖的校正PWM占空比。閉環(huán)：在此方法中，以轉(zhuǎn)速計測毆的反饋為基礎(chǔ)，計算所需RPM的PWM占空比。這僅適用于3線和4線風扇。全開：以全RPM轉(zhuǎn)速開啟風如。2012.5wAv.ClmxjECEMI專題報道IFeatureReport62圖9原始轉(zhuǎn)速計和經(jīng)濾波轉(zhuǎn)速計信號的上升沿圖10原始轉(zhuǎn)速計和經(jīng)濾波轉(zhuǎn)速計信號的下降沿-全關(guān)：關(guān)閉風扇。定制不同于專門用于確定功能的風扇控制器專用集成電路(ASIC),SmartFusioncSoC具有豐富的外設(shè)集，并帶有可編程模擬和可編程FPGA結(jié)構(gòu)。這一獨特特性可讓用戶實現(xiàn)特定應用所需的額外功能。使用模擬模塊和基于溫度的風扇轉(zhuǎn)速控制器使用FPGA結(jié)構(gòu)，通過

13、SPI/I2C/以太網(wǎng)或任何定制協(xié)議進行配置和控制。易增添定制故障指示易于在軟件層面上増加監(jiān)測通道數(shù)目易于使用FPGA結(jié)構(gòu)增加控制通逍數(shù)目在溫度和電源方面，通過風扇數(shù)據(jù)記錄來確定系統(tǒng)功能通過風扇校準來確定風扇健康狀況應用網(wǎng)絡(luò)臺式機和筆記本電腦投影儀電信嵌入式系統(tǒng)設(shè)計描述此設(shè)計町用于驅(qū)動各種類型的風扇。使用SmartFusioncSoC的符性，此設(shè)計可以分為軟件和硬件，其中專用功能比如PWM轉(zhuǎn)速計測凰可以在硬件中實現(xiàn)，配罟和控制器功能則可以在軟件中實施。圖7說明了風扇控制器的架構(gòu)。設(shè)計主要分為兩個部分：硬件和軟件實施硬件實施硬件實施包含PWM發(fā)生器、噪聲濾波器、轉(zhuǎn)速計測屋、通道選擇器和控制邏輯。

14、這些模塊通過APB接口與MSS相連。在FPGA結(jié)構(gòu)中實施APB從接口，并I接連接至MSSFIC接口。來自風扇的轉(zhuǎn)速計信號連接至4:1多工器，而多工器的選擇線路則由轉(zhuǎn)速計測量數(shù)值和通道選擇器來驅(qū)動。然后ARMCortex.M3處理器配置通道選擇器來選擇其中一個轉(zhuǎn)速計輸入通道。至于3線風扇，轉(zhuǎn)速計測雖模塊則進行PWM脈沖展寬。多工器的輸出饋入噪聲濾波器，消除在轉(zhuǎn)速計佶號上升沿和下降沿周圍的干擾，這里噪聲濾波器充當了數(shù)字施密特觸發(fā)器(SchmittEgger)。圖9說明了來自風扇(波形2,綠色)的原始轉(zhuǎn)CEMI專題報道IFeatureReport62CEMI專題報道IFeatureReport62飆

15、電子12012.5h(lp:/?|專題報道|FeatureReport3hinaAvadcniicJournalElectronicPublishingHouse.Allrigcrvcd.2由2.5I63圖11表示來自風扇（波形2.綠色）的原始轉(zhuǎn)速計輸出信號.以及在FPGA結(jié)構(gòu)中經(jīng)濾波的轉(zhuǎn)速計信號（波形1,黃色）圖12硬件和軟件設(shè)計流程圖軟件實施軟件實施部分包含配習和控制模塊。配置欖塊與在PC主機上運行的圖形用戶界面（graphicaluserinterface,GUI）應用程序進行通信，并獲得配置數(shù)據(jù)。控制器基于配置，設(shè)置FPGA模塊，包括PWM頻率、占空比、通道選擇，以及風扇類型，以及支持

16、啟用或禁用脈沖展寬。對于2線風扇，控制器基于期望轉(zhuǎn)速和最小PWM占空比來計算PWM占空比.這里假定風扇轉(zhuǎn)速和PWM占空比為線性關(guān)系。可以計算或載入PWM占空比的計算，以期望轉(zhuǎn)速和最小PWM占空比為基礎(chǔ)，這里假定風扇轉(zhuǎn)速和PWM占空比為指數(shù)或任何期望的比例關(guān)系。對于3線/4線風扇，在啟用測量后，軟件接收來自轉(zhuǎn)速計測量模塊的中斷。軟件讀取轉(zhuǎn)速計數(shù)值并在時間段內(nèi)進行轉(zhuǎn)換，計算當詢速度?；诋斍暗暮推谕霓D(zhuǎn)速，軟件調(diào)整PWM占空比。圖12說明了硬件和軟件設(shè)計流程圖。結(jié)論本文演示了SmartFusioncSoC能夠控制不同類型的DC風扇（2線、3線、4線DC風扇）。FPGA結(jié)構(gòu)可用于實施轉(zhuǎn)速i|測星和PWM生成。這有效地證明了針對軟件和硬件區(qū)分使用SmartFusioncSoC,可以提高整體系統(tǒng)性能。053|專題報道|FeatureReport3hinaAvadcniicJournalElectronicPublishingHouse.Allrigcrvcd.2由2.5I63yangbm/r血歡迎訂閱速計輸出上升沿，以及在FPGA結(jié)構(gòu)中經(jīng)濾波的轉(zhuǎn)速計信號（波形1,黃色）。原始轉(zhuǎn)速計倍號的上升時間非常差，并且在從低側(cè)轉(zhuǎn)換到高側(cè)期間，該信號帶有紋波.在FPGA結(jié)構(gòu)中引起轉(zhuǎn)速計信號的錯誤檢測。這就是為什么要使用數(shù)字