剖析風扇速度控制器原理

打開APP

剖析風扇速度控制器原理

工程師之餘 發表於 2018-09-26 14:19:00

1 概述

IC設計者力求在越來越小的封裝裡放入更多高速運行的電晶體，但這必將導致發熱。為了把這些高功率IC放進更小的封裝內，就必須有效解決熱管理問題。在很多應用中使用風扇來降溫，但風扇會帶來機械故障，增加功耗和噪聲。因此，應當對風扇速度進行監測和控制以解決這些問題，從而使風扇工作更可靠，功耗和噪聲更低。 由於直流無刷風扇易用、可靠，因此是大部分電子產品的首選方案。它是一個兩端器件，加上直流電壓即可工作。其直流電壓電壓有5V，12V，24V和48V，目前選和的12V風扇較多。隨著12V電源的減少，5V風扇的用量將會增加。電信領域一般使用48V風扇。直流無刷風扇的換向整流是在風扇內部通過電子方式控制的，老式直流風扇使用機械工刷子，因而會產生較高的EMI，並易於損壞。而無刷風扇用電子傳感器和開關來替代機械式刷子，從而延長了使用壽命，是一種簡單易用、工作可靠的兩端器件。直流無刷風扇的端電壓不同，其轉速和消耗的電流也不同（成正比）。 儘管直流無刷風扇有很高的可靠性，但它仍然是機械器件。在長時間使用時，其風扇速度和冷卻效率可能會下降甚至失效，所以要對風扇進行連續監測。很多風扇製造商提供有不同的監控方式，一般分為：報警傳感器和速度傳感器兩類。利用報警傳感器可在風扇速度低於某個門限值時給出報警信號。而某些製造商則用速度傳感器給出與頻率成正比的風扇速率的輸出信號，一般每轉婁產生2個脈衝。報警傳感器和速度傳感器都可以提供漏極開路或內部上拉輸出，內部上拉可以是TTL電平或電源電壓。值得注意的是：用風扇速度控制電源電壓的改變將會影響傳感器和其它電路。而且實際設計中必須考慮風扇的使用條件，（如最惡劣的溫度範圍、最大功耗、風扇的誤差和使用壽命等），工作在適當的條件下可以降低風扇速度，而在最惡劣的條件下，則應加快風扇速度。合理控制風扇速度能夠降低系統的噪聲和功耗，從而延長風扇的壽命並減少灰塵。

圖一風扇速度控制器

2 風扇速度控制方法

2.1 脈寬調製法（PWM）

脈衝寬度調製法（PWM）是將風扇電源的開關頻率設為固定值，通過改變其佔空比來調節風扇速度的方法。佔空比越大，風扇速度越快。這種控制方式的關鍵在於選擇合適的開關頻率，如果頻率太低，風扇速度將會隨PWM周期而振蕩。相反，如果頻率過高，風扇內部的換向整流電路會斷開風扇加速/減速電路的電源而導致風扇停轉。一般的頻率範圍是20Hz～160Hz。另外，PWM的上升和下降時間要足夠慢，以保證風扇的長期穩定。PWM控制方式的優點是驅動電路簡單、有很好的啟動特性、電晶體熱量耗散小等。缺點是增加了風扇的應力，不便使用速度報警傳感器，而速度報警傳感器與電機使用同一電源供電，如電機電源以20Hz～160Hz頻率接通或斷開，則傳感器也會隨之關斷或開啟，從而失去應有的檢測功能。 在PWM控制方法中，風扇的電壓為額定值（例如12V風扇中的12V電源）或零電壓，但由於風扇沒有滿負荷運轉，因而它的反向電動勢就會減少，這將導致PWM導通期間的電流可能會大於正常值。雖然風扇的設計使共能夠處理較大的電池，但在風扇啟動階段，電流將每秒增加30倍，這將對風扇的可靠性產生很大影響。儘管如此，PWM仍然是低成本應用的理想選擇。

2.2 線性調節方法

這種方法利用線性穩壓器來調節風扇的直流電壓，它要求風扇能夠工作在較寬的電壓範圍內與PWM控制方式相比，其優點是能夠使用速度和報警傳感器；缺點是功耗較大，需要解決啟動和停止問題。在用線性穩壓器控制風扇兩端的直流電壓時，雖然其功率消耗將產生熱量，但在最大致冷和最小致冷狀態下的功率消耗卻近似為零。因為在最大致冷時，調整管上的電壓差近似為零；最小致冷時調整管上的電流近似為零，所以功耗近似為零。在風扇兩端的電壓為最大工作電壓的一半時，其功耗最大，這時的功率耗散可由下式估算： P=1/4（Vmax×Imax） 式中，V和I分別是風扇的額定電壓和額定電流，如1.2W的風扇的調整管的功率耗散只有300mW（12V的風扇工作在6V）。所以風扇速度降低時能夠節省一定的功率。啟動和停止是相關聯的，風扇在啟動前需要一定的啟動電壓。風扇運轉後，一旦風扇電壓降低到停止電壓，風扇就會停止運轉。啟動電壓一般等於或稍大於停止電壓，通常是風扇額定電壓的25%～50%，在沒有速度監控時，判斷風扇是運轉還是停止有兩種方法：第一是保證風扇兩端的電壓始終大於啟動電壓，一般可設置該電壓大於額定電壓的60%，以降低風扇電壓的控制範圍。第二是使用帶有轉速計的風扇，並由微控制器對轉速計進行監控。在風扇沒有啟動或停止前，利用軟體可以了解其狀態，但是這種方法將增大設計的複雜程度和軟硬體資源。

2.3 DC-DC控制器

同線性穩壓方式一樣，DC-DC開關方式也是通過控制風扇兩端的直流電壓來控制風扇速度，所不同的是這種方式採用的開關方式。這兩種方式的優缺點基本相同，有一點不同的是DC-DC開關方式的理想效率是100%，所以不會產生熱量。實際上DC-DC開關控制器的效率通常是75%～95%，，效率升高，成本和複雜程度就會增加。只有在風扇工作電壓降低低時才會節省功率，當工作電壓是飽和電壓的一半時，功耗降低的幅度最大。節省功率的代價是成本和複雜程度的提高，所以DC-DC方式一般用於例攜系統以及需要大功率風扇或多個風扇控制的應用中。

2.4 高端/低端驅動

以上三種方式可以是低端驅動也可以是高端驅動。高端驅動的電路稍複雜一點，好處是風扇負端可以接地，速度和報警傳感器具有相同的參考地，而且易於接口。低端驅動不需要電平轉換，但速度和報警傳感器需要電平轉換電路。這時風扇的正端一般保持在恆定電壓，而負端電壓是可以控制和調節的，因此速度和報警傳感器的參考點易改變，因而需要電平轉換電路。

圖二電路圖

3 無轉速計的風扇速度控制

兩個不帶報警傳感器和速度傳感器的風扇速度控制電路，的MAX1669構成PWM控制方式，是MAX1669構成線性調節控制方式。MAX1669既是溫度傳感器又是風扇控制器，兩部分可獨立工作並與微控制器相配合，其接口方式為SMBus。溫度傳感器通過安裝在遠端的二極體來完成，這個二極體也可以包含在某些器件內部，例如XILINX公司的VIRTEX系列器件，這樣會更確切地控制關鍵器件的溫度並省去外部二極體。 當MAX1669檢測的溫度增加時，可由軟體來控制並提高風扇速度。風扇速度的控制與溫度測量無關，所以這是開環控制系統，不存在穩定性問題。但無地直接知道被控制件的實際溫度，也無法直接了解風扇是否失靈或製冷效率是否下降。如果溫度傳感器放在要製冷的地方，可設計成一個閉環系統，風扇速度增加，溫度下降。閉環系統需要注意穩定性的問題，同時會增加軟體的複雜性。

4 帶有轉速計的風扇速度控制

是帶有轉速計的風扇速度控制電路。MAX6625用於測量溫度並通過類似I2C的兩線接口傳送至微控制器。兩線接口將命令傳送給MAX6650，由MAX6650來控制風扇的速度，MAX6650內部的接口電路可以連接風扇的轉速計（速度傳感器），風扇速度通過SMB兩線接口讀取。用MAX6650即可構成風扇速度控制器或風扇速度調節器。可用風扇速度控制器來控制風扇的兩端電壓，從而達到控制風扇速度的目的。風扇速度調節器實際上是用轉速計來對風扇速度進行測量和調節。把MAX6650用於風扇速度控制器時，用微控制器從MAX6625讀取溫度，並從MAX6650讀取速度，然後通過MAX6650裡的DAC來控制風扇兩端的電壓和速度。微控制器必須不斷地讀取風扇速度和通過DAC來調節風扇速度，這在啟動和停止階段尤為重要。在用MAX6650進行速度調節時，可利用微控制器給郵速度指令，並用MAX6650自動監控和調節風扇速度。一旦速度指令傳送給MAX6650，微控制器就可以不再介入，這樣可減少軟體的工作量，如果MAX6650不能提供指令所要求的控制電壓，系統將產生報警信號給微控制器以產生中斷。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴