使用pwm控制直流风扇

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1、I 专题报道 IFeotUre Repor t5 . 函使用PW M 控制直流风扇.美高森美公司高级市场解决方案经理 尺 的 no 0 1 0丫风扇应用概述最近 几年 来 ,业界 对于 利用 集成 电路 控制用于各种 电子设备的冷却风扇速度的兴趣一直在增 长 “电子 产 品,尤 其消 费电 子产 品的尺 寸 ,每天都在显著减小 , 但是 由于在芯片上运行的应用程序 日趋复杂, 芯片产生的热量却在增加“ 有两种 方式可 以去除所产生的热量 “ 一种方法就是使用无源元件 ,比如散热器和热导管 , 第二种方法就是使用有源元件 ,比如冷却风扇 “ 在许多消费和其它产 品中, 可 以观察到无源元件 由于

2、尺寸和成本原 因而无法胜任 “使用冷却风扇可在热源周围产生气流 , 是去除热量的有效方法 “不 过 ,在 系统 中增加 冷却 风扇 将会 增加 功耗 “对于 电池供电的 系统 , 这是一个重要因素 “另外 , 因为冷却风扇是机械部件 , 因而会产生噪声 “通过控制风扇速度 , 可 以有效地解决以上 问题 “风扇在较低转速下运行所消耗的功率较少 ,这可延长电池寿命 , 又能减少风扇发 出的噪 声,并增加风扇的使用期限 “图, 转速计脉冲图2 转速计脉冲的重建控制速度的方法, .开I关(O N I O FF ) 控制: 这是最简单的方法 “ 当特定元件的温度超 出闹值时 ,可以使 用驱动信号开启风

3、扇 ; 或者 当温度低 于阂值 时关闭风扇 “ 虽然该方法非常简单 , 但缺 点是 在接通的这一刻 , 风扇以全速运转并 因此 消耗 了最大功率且产生 了噪声 “2 . 线性控制 : 此方法通过调压器来控制施加在风 扇上的D C 电压 “ 降低 电压可 以使风扇 以较低的速度运转 , 且可增加 电压使风 扇以较 高的速度运转 “ 此方法的优势是 电压始终施加 在风扇上 “ 因此 , 在任何时候 , 转速计( t a c ho ) 信号都会存在并被测量 “ 这在脉宽调制控制技 术中是不可能的 “ 此方法的缺点是使用调压器将增加线路 板的成本和空间 , 并且需要专用控制器来控制调压器 “3. P

4、W M 控制: 最广泛用于风扇转速控制的方法就是PW M 控制 “在此方法 中, PW M 驱动 信号施加到连接至风扇的高侧或低侧的场 效应晶体管伍el d一 ef f e ctt r ansistor, F ET)上 “ 在特定频率上开关风扇 , 通过PW M 信号的 占空比(duty cy ele)来控 制风 扇转速 ,而施加在风扇上的电压始终 为2012石.困 口 脸 面 瓜筑 压 圈 .口 . 159C 旧M I专题报道 1F e o t u r e Repo r t图3 使用Sm ar tFu s i o n csoC 的2线风扇转速控制电路图4 使用Sm ar tFusi on e

5、soC 和FET的3线风扇转速控制电路, 刁S V含含佃 d F . 岛匕1 1 1 1 1 1 1 1 1 C C C S O C C C C C娜娜 “.1 泌图5 使用S m ar tFusi on esoC和达灵顿复合晶体管对(Darl i ngton 尸 a i r )的3线风扇转速控制电路白白旧 d 下乞 拍叹们们们们们 C C C S- - -罄罄全或 零 “ 此 方法的最 大优 势是 设计简 单 ! 外 部电路 少 ! 且成 本低 “ 缺点 是因 为电压 并不 总是施加在 风扇上 , 转 速计 信号将被P W M 驱动信号大幅削减 “ 实际上 , 转 速计信号将 跟随PW M

6、信号而 变化 “ 要 避开这 个 问题 ,应该采 用/ 脉冲展宽 0 技术来获得转速计信息 “图1显示了 由于P W M 驱动信号的存在 , 经大幅削减/改变 后的转速计信号 “图2显示 了使用脉 冲展宽原理从 实际转速计信号 中重建转速计信号 “1.2线风扇2.3线风扇3.4线风扇2线 风扇有两个 引脚 : 电源和 接地 “此 风扇可以通 过改变D C 电压或者通过使用 低频P W M 驱动信号来控 制 “ 2线风扇 没有转 速计信 号 , 因而没有用于测量风扇转 速的信息 “ 此类控制被称为/ 开环 0 “图3显示了采用Sm ar t Fusi on esoC 实现 的2线风扇电路实例 “

7、3线 风 扇 有三 个 引 脚 : 电源 ! 接 地 和 转速计 “ 此风扇可 以通 过改变D C 电压或者 通过使 用低频PW M 驱动信 号来控制 “3线风扇 有转 速计信号 , 显示 了风扇转速 “ 用户可 以基于转速计 读取值 , 调节风扇转速 , 这可 以称为/ 闭环 0 控 制 “在某 些情况下 , 3线风 扇还可 以采用开 环方 式来控制 “图4和图5显示了采用sm artFusi on esoe 来实现的3线风扇电路实例 “4线 风扇有 四个 引脚 : 电源 ! 接 地 ! 转 速计和P W M 输人 “ PW M 输入 用于控 制风扇转速 “ 在一个4线 风扇 中,电源 只给

8、 线圈供 电 , 而不 是用于整个风 扇的 电源开/关 , 因此 可 以获得任何 时间点 的转速计信息 “此类 风扇 不需 要脉 冲 展宽技 术 “ 为 减 少整流噪声, P W M 频率可以提高到2 0K H z以上“ 采用此方法 , 可 以去除可 听范围的整流线圈噪声 “图6显示 T 采用Sm ar t F usion esoC 实现 的4线风扇电路 实例 “OC 风扇的类型有三种主要的D C 风扇类型 :设计概述Sm artF usion esoC 是唯 一集成有F PG A ! 32位A R M C or te x 一 M 3处理 器 ! 可编程模拟部件和丰富接 口的器件 “这 些独特

9、特性使得 Sm a r t F u s i o ncsoC 成 为D C 风扇转速监测和控 制应用的理 想选择 “本文将说明如何利用Sm a r t F u s i o ne反 尤的特性,演示如何控制不同类型的L义 : 风扇, 包括2线 ! 3线和4线风扇, 以及如何定制设计以满足特定需求“60皿目娜日 国 翔基础电子 12012 5C 曰M I专题报道 IFeo t u r e 尺 e po r t图g 原始转速计和经滤波转速计信号的上升沿# 易于在软件层面上增 加监测通道数 目.易于使用FPG A 结构增加控制通道数 目.在温 度和 电源 方面 , 通 过风扇数 据记 录来确定系统功能#

10、通过风扇校准来确定风扇健康状况应用.网络.台式机和笔记本电脑.投影仪,电信,嵌入式 系统 图10 原始转速计和经滤波转速计信号的下降沿设计描述此设计 可用 于驱 动各 种 类型的 风扇 “ 使 用Sm 盯t F u s i o n csoC 的特性 , 此 设计可 以分 为软件和硬件 , 其 中专用功能 比如P W M 转速 计测量可以在 硬件 中实现 , 配 置和 控制 器功能 则可 以在软件中实施 “ 图7 说明了风 扇控制器的 架构 “设计主要分为两个部 分: 硬件和软件实施一全关 : 关闭风 扇 “定制不 同于 专门用于 确定功 能的 风扇控 制器 专)I J集成电路(A SIC ),

11、 Sm artFusl on csoC 具有丰富的外设 集, 并带 有可编程 模拟 和可编 程F PG A 结构 “ 这一 独特特 性可 让用 户实现特 定应 用所需的额外功能 “ 使用模拟 模块和基 于温度的 风扇 转速控制器# 使用FP G A 结 构, 通过S P I /I Z C /以太网或任何定制协议进行配置和控制 “.易于增添 定制故障指示硬件实施硬 件实施包 含PW M 发 生器 ! 噪声滤波 器 !转 速计 测量 ! 通 道选 择器 和 控制逻 辑 “ 这些 模块通过A PB 接 日 与M S S相连 “ 在F PG A 结构中实施A PB 从接口 , 并 直接连接 至M SS

12、 F I C 接 卜 J“来 自风扇 的转速 计信号连 接至4 : 1 多 l 几 器,而 多 工器 的选择 线路 则 由转速 计测量数 值和 通道选择器 来驱动 “ 然后A R MC o r te x 一 M 3处理 器配置通 道选 择器 来选择 其 中一 个转速 计输 入通道 “ 至于3线风扇 , 转速计测 量模块 则进 行P w M脉冲展宽 “多 工器 的 输 出馈 入 噪 声 滤 波 器 ,消 除 在转速 计信号 上升沿 和下 降沿 周围 的干 扰 ,这里噪声滤 波器 充 当 了数字 施密 特触 发器(S chm it ttri gger)“图9说明 了来 自风扇(波 形2 , 绿 色

13、)的原始转6 2阮口呵日 困 口 基础电子 12012. 5l 专题报道 1FeotUre Report图1 1表示来 自风扇(波形2 , 绿色)的原始转速计输出信号, 以及在 FpG A结构中经滤波的转速计信号(波形, , 黄色) , 侣油图, 2 硬 件和软件设计流程 图: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 草- - -F F F a n O 闭白d O U - - -一一川川 m- 闻 o nr 目 ,I F 吧吧吧一一一二一口口C C C 侧1侧.nlc .协 “ , 州价 O月 砚 T.ld d d d d d d d d

14、 d d C C C 即勺u m 自 0 0 0 0 0F F F F F F F F F F F F F .八C心n七 d田闭闭闭 户户户户因州 G 日 n 公 旧七 / / /漂漂 昆交 瑞 二 瓮汁 . 助助助助助p p p 叭 怕门Du 扮C 州 . . . . . . . . . . . ( ( ( 日 - U 助 到 口 1 翻 侧 , , ,厂厂厂F F F P G 八 / 月 哈u, 口 的的的的的渊渊 价匕 蕊沈集集集集集集 I I I.-一m . . . . . . . . .U U U 国 . 人口J.IR P目 匕 口8. . . . . . .软件实施软 件 实 施

15、部 分 包 含配 置 和 控 制 模 块 “ 配置 模 块 与 在 P C 主 机 上 运 行 的 图 形 用 户 界 面(graphi eal user i nterf a ee, G U I)应用程序进行通信 , 并获得 配置数据 “控 制器基 于配置 ,设置 F P G A 模块 ,包括P w M 频 率 ! 占空 比 ! 通 道选 择 ,以及 风 扇类型 , 以及 支持启用或禁用脉冲展宽 “对于2线风 扇,控制器 基于期望 转速和最小P W M 占空 比来计 算PW M 占空比 , 这里假定风 扇转速 和PW M 占空 比为线性 关 系“ 可以计算或载入PW M 占空 比的计 算 ,

16、以期望转速 和最小PW M占空比为基础 ,这里假定 风扇转速 和P W M 占空比为指数或任何期 望的比例关 系 “对 于3 线/ 4 线 风 扇 ,在启 用测 量 后 , 软 件接收 来 自转速 计测 量模 块 的中 断 “ 软 件读 取转速计数 值并 在时 间段 内进 行转换 ,计算 当前速度 “ 基于 当前 的和期望 的转速 , 软件 调整P W M占空比 “图1 2 说明 了硬件 和软件设计流程图 “结论本文 演 示 了S m artF u s io n e s o C 能 够 控制 不 同 类 型 的D C 风 扇(2 线 ! 3 线 ! 4线 D C 风扇 ) “ F P G A 结 构 可 用 于实 施 转 速 计 测 量 和P W M 生成 “ 这 有 效地 证 明 了针 对软 件 和硬 件区 分使 用S m artF u sion e so C , 可 以提 高 整体系统 性 能 “ 俩 呀 ,速计输 出上升 沿,以及在F P G A 结构中经滤波的转 速计信号(波形 1,黄色)“ 原始转 速计信 号的上 升时 间非常 差 , 并 且