使用PWM控制直流风扇

1、1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublidiingHouse.Allrightsreserved2012.5fflassamramMi59使用PWM控制直流风扇I美高森美公司高级市场解决方案经理IIRufmoOlay|专题报道featureReport1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublidiingHouse.Allrightsreserved2012.5fflassamramMi59|专题报道featureReport1994-2012ChinaAcademicJournalElectronic

2、PublidiingHouse.Allrightsreserved2012.5fflassamramMi59图1转速计脉冲winJKmnjWLnjLnjunnmmnnmmnmnn图2转速计脉冲的重建sLTLTLrJJLTLrTTUL“WUWWWUWUWU1_Tinmmfwwwum风扇应用概述最近几年来，业畀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直在电子产品.尤其消费电子产品的尺寸，毎天都在显著减小，但是由于在芯片上运行的应用程序日趋复杂，芯片产生的热屋却在增加。有两种方式可以去除所产生的热届。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

3、扇。在许多消费和其它产品中，可以观察到无源元件由于尺寸和成本原因而无法胜任使用冷却风扇町在擒源周出产生气流，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，这是一个贡要因素。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，可以冇效地解决以上问题。风扇任较低转速下运行所消耗的功率较少，这可延丘电池寿命，又能减少风扇发出的噪声，并増加风眉的使用期限。控制速度的方法1开/关(ON/OFF)控制：这是最简单的方法。当特定尤件的温度超出阈值时，可以使用驱动信号开启风扇；或者当温度低F阈值时关闭风扇。虽然该方法非常简草，但缺点是任接通的这一刻，风扇以全速运

4、转并因此消耗了最大功率且产生了噪声。线性控制：此方法通过调压器来控制施加在风扇匕的DC电压。降低电压可以使风扇以较低的速度运转，且可增加电压使爪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(tacho)信号都会存在并被测命。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斥器将増加线路板的成本和空间，并且需要专用控制器来控制调圧器。PWM控制：最广泛用于风扇转速控制的方法就是PWN4控制。在此方法中.PWM驱动信号施加到连接*风扇的高侧成低側的场效应晶体管(field-effecttransistor,FET)上。在特定频率h开关风扇，通过PWM信号的

5、占空比(dutycycle)来控制风扇转速，而施加在风扇上的电压始终为CEMI专题报道IFeatureReportCEMI专题报道IFeatureReport图3使用SmartFusioncSoC的2线风扇转速控制电路图4使用SmartFusioncSoC和FET的3线风扇转速控制电路图5使用SmartFusioncSoC和达灵顿复合晶体管(DarlingtonPair)的3线风扇转速控制电路全或零。此方法的最大优势足设计简单、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PWM衆动信号大幅削减。实际上，转速计信号将跟随PWM信号而变化。要避开这个问越，应该采用脉冲展

6、宽”技术来获得转速计信息。图1显示了由JPWM驱动信号的存在，经大幅削减/改变后的转速计伯号。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。DC风扇的类型有三种主要的DC风扇类里:1.2线风扇3线风扇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DC电压或者通过使用低频PWM驱动倍号来控制。2线风扇没有转速计佶号，因而没有用于測冒风用转速的信息。此类控制被称为“开环”。图3显示了采用SmartFusioncSoC实现的2线风扇电路实例。3线风扇有三个引脚：电源、接地和转速计。此M.扇可以通过改变DC电压或者通过使用低频PWM驱动信号来控制。3线风扇冇转速计信号，显示了

7、风扇转速。用户可以基于转速计读取值，调节风朗转速，这可以称为“闭环”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SmartFusioncSoC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PWM输入。PWM输入用于控制风扇转速。在一个4线风扇中，电源只给线圈供电.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，PWM频率可以提高到20KHz以上。采用此方法，可以去除可听范的的越流线圈嗥诃。图6显示了采用SmartFusioncSoC实现的4线风扇电路实例。设计概述SmartFusi

8、oncSoC是唯-集成有FPGA、32位ARMCortex-M3处理器、可编程模拟部件和丰富接口的器件。这些独特特性使得SmartFusioncSoC成为DC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SmartFusioncSoC的特性，演示如何控制不同类型的DC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迥1*21阴S基盘电子12012.5|专题报道|FeatureReport1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreserved|专题报道|FeatureReport19

9、94-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreserved图6使用SmartFusioncSoC的4线风扇转速控制电路PWMDnveSai图7风扇控制器的架构图8智能设计中的风扇控制器M5SASSET心3心TACXO0JI特性配置和转速控制器此模块使用软件来实现.将运行于SmartFusionCortcx-M3处理器匕。配置和转速控制器有两个第本任务：从GUI应用中获得据和设直合适的寄存器，以及控制风扇转速。转速控制器设置了PWM,其在FPGA结构中实现.并从转速计测量单元中获御转速计测量值，测量单元也在FPGA结

10、构中实现。基于这种配置,它可以自动控制风扇转速。所支持的特性如下：极数：这指定了每周期转速计脉冲的数目，当前方案支持最高8个电极。PWM频率：这指定了风扇驱动信号的频率这町以以外部电路为基础.配置为不同的须率来适应不同类空的风扇.量大RPM转速：这指定了风扇的最大RPM转数、在计算PWM占空比中使用，用于开环配置中规定的RPM。量小占空比：这指定了开启风扇所需的最小PWM占空比。它随不同的风扇而改变，因为风扇的高侧或低側连接至FET/BJT驱动电路。2线/3线/4线支持：基F选择.转速控制器管理君特定风扇的运转和控制对于2线风扇，控制器计算并设置PWM占空比，以展人RPM和最小PWM占空比为基

11、础，这里假定风扇转速相对PWM占空比为线性。对于？线风扇，控制器进行脉冲展宽，读取转速计值，垂新计算并然后设置PWM占空比；此过程在闭环中持续不断。任开环中，控制器以最大RPM和最小PWM占空比为基础，计算并设置PWM占空比，这里假定风扇转速相对PWM占空比为线性。对于4线风扇、控制器读取转速计值，亜新计算并设置PWM频率。此过程住闭环中持续不断。在坏路中，控制器以XRPM和最小PWM占空比为基础，计算并设KPWM占空比这里假定风扇转速相对PWM占空比为线性。控制方法如下：开环：方法足基于呆大RPM和最小PWM占空比来计算所霜RPM的PWM占空比假定风扇转速相对PWM占空比为线性以及没有慕于转

12、速计测凰反锁的校正PWM占空比。闭环：在此方法中，以转速计测毆的反馈为基础，计算所需RPM的PWM占空比。这仅适用于3线和4线风扇。全开：以全RPM转速开启风如。2012.5wAv.ClmxjECEMI专题报道IFeatureReport62图9原始转速计和经滤波转速计信号的上升沿图10原始转速计和经滤波转速计信号的下降沿-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用集成电路(ASIC),SmartFusioncSoC具有丰富的外设集，并带有可编程模拟和可编程FPGA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FPGA结构，通过

13、SPI/I2C/以太网或任何定制协议进行配置和控制。易增添定制故障指示易于在软件层面上増加监測通道数目易于使用FPGA结构增加控制通逍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设计描述此设计町用于驱动各种类型的风扇。使用SmartFusioncSoC的符性，此设计可以分为软件和硬件，其中专用功能比如PWM转速计测凰可以在硬件中实现，配罟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：硬件和软件实施硬件实施硬件实施包含PWM发生器、噪声滤波器、转速计測屋、通道选择器和控制逻辑。

14、这些模块通过APB接口与MSS相连。在FPGA结构中实施APB从接口，并I接连接至MSSFIC接口。来自风扇的转速计信号连接至4:1多工器，而多工器的选择线路则由转速计測量数值和通道选择器来驱动。然后ARMCortex.M3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，转速计測虽模块则进行PWM脉冲展宽。多工器的输出馈入噪声滤波器，消除在转速计佶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(SchmittEgger)。图9说明了来自风扇(波形2,绿色)的原始转CEMI专题报道IFeatureReport62CEMI专题报道IFeatureReport62飙

15、电子12012.5h(lp:/?|专题报道|FeatureReport3hinaAvadcniicJournalElectronicPublishingHouse.Allrigcrvcd.2由2.5I63图11表示来自风扇（波形2.绿色）的原始转速计输出信号.以及在FPGA结构中经滤波的转速计信号（波形1,黄色）图12硬件和软件设计流程图软件实施软件实施部分包含配習和控制模块。配置榄块与在PC主机上运行的图形用户界面（graphicaluserinterface,GUI）应用程序进行通信，并获得配置数据。控制器基于配置，设置FPGA模块，包括PWM频率、占空比、通道选择，以及风扇类型，以及支持

16、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PWM占空比来计算PWM占空比.这里假定风扇转速和PWM占空比为线性关系。可以计算或载入PWM占空比的计算，以期望转速和最小PWM占空比为基础，这里假定风扇转速和PWM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，计算当询速度。基于当前的和期望的转速，软件调整PWM占空比。图12说明了硬件和软件设计流程图。结论本文演示了SmartFusioncSoC能够控制不同类型的DC风扇（2线、3线、4线DC风扇）。FPGA结构可用于实施转速i|测星和PWM生成。这有效地证明了针对软件和硬件区分使用SmartFusioncSoC,可以提高整体系统性能。053|专题报道|FeatureReport3hinaAvadcniicJournalElectronicPublishingHouse.Allrigcrvcd.2由2.5I63yangbm/r血欢迎订阅速计输出上升沿，以及在FPGA结构中经滤波的转速计信号（波形1,黄色）。原始转速计倍号的上升时间非常差，并且在从低侧转换到高侧期间，该信号带有纹波.在FPGA结构中引起转速计信号的错误检测。这就是为什么要使用数字