合理的風扇控制設計確保電信設備可靠運行

2020-12-06 電子產品世界

摘要： 隨著IC功率密度的提高、系統工作速度的不斷提升，熱管理設計成為提高系統可靠性不可缺少的手段。本文討論了電信及其他高可靠性設備的風扇控制設計方案。
關鍵詞： 風扇；溫度監控；風扇控制

欒成強：高級工程師。

引言

　　當今的電信設備對可靠性要求極高，很多設備配備了冗餘電源備份，主控板採用雙備份。同時設備的體積也在縮小，隨著晶片集成度的提高，單位面積內的功率也在大幅增加。所有這些因素都對散熱設計提出了更高的要求，因此溫度監控和風扇控制設計在電信設備中顯得尤為重要。

　　風扇控制設計的主要目的是保證電信設備的可靠運行，所以風扇控制晶片本身應該具有高可靠性。Maxim對於溫度傳感器和風扇控制器採用了6d控制體系，其百萬產品的失效率僅有3或4。本文介紹了幾種相關的風扇控制方案。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/85403.htm

無刷直流風扇

　　無刷直流風扇是很多設備的選擇，無刷直流風扇的特點是可靠性高、簡單易用。無刷直流風扇是2線器件，在其兩端加上直流電壓即可工作。電信設備最簡單的製冷方法就是給風扇加上直流電壓，打開開關即可工作。直流工作電壓有5V、12V、24V、48V。12V的風扇較為普遍。如果系統沒有12V電壓，也可以選用5V風扇。對於2線風扇，其轉速和消耗的電流隨著直流電壓的不同而變化。

風扇監測

　　雖然無刷直流風扇的可靠性很高，使用壽命也很長，但是無刷直流風扇仍然是機械部件，仍然有磨損和失效。隨著時間的推移，其製冷效率會下降甚至完全失效。這就是為什麼要對風扇進行連續不斷的監測。很多風扇提供了不同的監測方式，大致分為兩類：報警傳感器和速度傳感器。報警傳感器給出一個數位訊號，指示風扇速度低於某個門限或已經完全失效。速度傳感器會給出不同頻率的數位訊號，其頻率與速度成正比，一般為每轉兩個脈衝。

控制風扇速度的三種方式

　　脈寬調製控制方式
　　脈寬調製(PWM)控制方式就是按照固定頻率控制風扇電源的通、斷，通過佔空比調整實現風扇的速度控制。佔空比越大，風扇轉速越高。這種方法需要選擇合適的頻率，如果PWM信號頻率太低，風扇可能會在PWM周期內振蕩；如果PWM信號頻率過高，導致風扇內部交換電路變化過快，可能引起操作失效。考慮到上述問題，PWM信號的頻率範圍通常設置在20Hz到160Hz。另外，PWM信號要有足夠的上升和下降時間，保證風扇的長期可靠性。

　　脈寬調製控制方式的優點是驅動電路簡單，啟動特性好，調整管需要耗散的熱量很小。缺點是風扇中的速度和報警傳感器的使用受到限制，因為速度和報警傳感器的供電與電機電源相同，會受到脈寬調製頻率的通、斷控制。

　　線性調整控制方式
　　線性調整控制方式就是通過調整管調整風扇的電壓，首先要保證風扇供電電壓的範圍要寬，與PWM調整控制方式相比，其優點是可以利用速度傳感器和報警傳感器，缺點是調整管上的功耗很大。

　　DC/DC開關調整控制方式
　　DC/DC開關控制方式與現行控制方式很接近，都是調整風扇兩端的電壓控制風扇的速度。但是，與線性控制方式不同的是DC/DC使用開關電源。兩種方式各有優缺點，DC/DC開關控制的最大優點是效率高、不會發熱。

MAX6651線性風扇控制器
　　MAX6651內部有4個轉速計監控輸入口(Tach0—Tach4)，5條通用輸出/輸入口(GPIO#0—GPIO#4)，可以構建開環或閉環風扇速度控制，MAX6651通過2線SMBus接口與微處理器進行控制信息交換，MAX6651可以編程輸出風扇失效報警輸出和風扇全速運行控制輸入。


圖1  多個風扇控制

　　利用MAX6651可以直接監控4個風扇，配合多路模擬開關後，還可以監控更多的風扇，如圖1所示。MAX6651的GPIO#2、#3和#4配置為輸出，用於控制MAX4051的地址輸入，從而由MAX6651的Tach3控制多路復用器選通的風扇。圖中所有風扇是並聯使用，不能獨立控制每個風扇的速度。MAX6651對連接到Tach0的1#風扇進行閉環控制，其它風扇的速度如同1#風扇。

　　MAX6651可以讀取每個風扇的速度，從而在風扇失效時進行適當的處理。出現風扇失效時，可能需要系統停止運行以進行維修，而很多系統不能停止運行，這時需要熱插拔和熱備份，如圖2所示。圖中的GPIO#0設置為報警輸出，GPIO#1設置為全速運行控制，將所有MAX6651的GPIO#0和GPIO#1連接在一起，這樣有一個風扇報警後，也就是GPIO#0輸出低電平，而當GPIO#1是低電平時其它風扇就會全速運行，同時GPIO#0會產生一個中斷給微控制器，微控制器通過讀取每個風扇的速度查出失效的風扇。通過GPIO#2可以實現熱插拔，風扇連接時，GPIO#2是高電平，風扇拔掉後，GPIO#2是低電平。GPIO#2的另一個功能是可以作為內部時鐘的輸入或輸出，如果把一個I/O作為輸出，其餘I/O作為時鐘輸入，可以使所有風扇工作在同一頻率下，實現所有風扇的同步。


圖2  熱備份和熱插拔

MAX6640開關方式風扇控制器

　　MAX6640是雙路PWM風扇控制器，帶有雙路遠端溫度監控和本地溫度傳感器以及三路可編程報警輸出。MAX6640帶有風扇失效檢測，通過SMBus 2線串行接口讀取數據並進行編程設置。MAX6640通過控制PWM的佔空比調整風扇的轉速，PWM信號控制直流無刷風扇的電源電壓或帶有轉速計的風扇的速度控制輸入。圖3是MAX6640的典型應用。


圖3  開關型風扇控制器

風扇控制晶片的PCB布局

　　風扇控制電路的布局對於保證系統的可靠工作非常重要，以下給出了一些電路板布局中的注意事項：

　　·晶片應儘可能靠近遠端二極體。在噪聲環境中，比如計算機主板，這種距離可以為4 英寸至8 英寸或者更長，最好能夠遠離噪聲源(比如CRT，時鐘發生器，存儲總線以及ISA/PCI總線)。

　　·不要將DXP連線布在與CRT的偏轉線圈相鄰的地方。同樣，布線不要跨過存儲器的高速總線，否則會很容易引入+3℃的誤差，即使提供了良好的濾波也無濟於事。除此之外，其它噪聲源的影響要小得多。

　　·DXP與GND的走線保持平行，並相互靠近，同時遠離任何高壓走線，比如+12V直流電壓線。避免影響PCB，產生較大的漏電流。DXP與地之間的20MW的洩漏路徑可能造成大約+1℃的誤差。

　　·使用儘可能少的過孔和跨線，降低銅/焊點所產生的熱電偶效應。

　　·如果引入了熱電偶，應確保DXP與GND路徑上具有匹配的熱電偶。通常，PCB產生的熱電偶不會帶來嚴重的問題。銅/焊點熱電偶具有3mV/℃的靈敏度，產生+1℃的測量誤差，會在DXP/GND產生大約200mV的電壓誤差。因此大多數寄生熱電偶誤差被淹沒掉。

　　·使用寬引線，較細的引線具有較高的寄生電感，易於拾取輻射噪聲。建議根據實際條件，儘可能採用10mil甚至更寬的引線和引線間距。

　　·在DXP引線與攜帶高頻噪聲的信號線之間鋪設隔離地線，有助於降低EMI。

參考文獻：

1. MAX6640數據手冊，Maxim公司
2. MAX6651數據手冊，Maxim公司

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