加快風扇速度控制設(shè)計

討論了控制無刷直流冷卻風扇的速度。圖中顯示了分立式和IC風扇速度控制器的示例。本文介紹了 12V、24V 和 48V 設(shè)計以及隔離版本。討論了用于速度控制的轉(zhuǎn)速表反饋。

PC和其他類型電子設(shè)備中常用的無刷直流風扇的速度控制因其非線性行為而變得復雜。如圖1所示，在電壓達到高度可變的啟動電壓之前，電機根本不運行，并且速度僅近似線性超過該點。

圖1.此圖顯示了典型無刷直流風扇的電壓與速度的關(guān)系。風扇轉(zhuǎn)動在 3V 至 5V 之間啟動，但很難預(yù)測確切的啟動電壓。確切的點因風扇的使用壽命和環(huán)境條件而異。盡管該圖在起點上方是線性的，但大多數(shù)風扇僅近似于電壓與速度的線性關(guān)系。閉環(huán)風扇速度調(diào)節(jié)克服了所有這些困難。

調(diào)節(jié)風扇速度的電路可以克服這些困難。帶轉(zhuǎn)速計輸出的電機的可用性有助于這些電路的設(shè)計。

基本的風扇控制放大器

一段時間以來，已經(jīng)有集成電路（IC）可用，其中包括用于控制風扇速度的DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）。這些電路包括PC系統(tǒng)健康監(jiān)測器和專用風扇控制IC，如MAX1669，具有線性DAC輸出和PWM輸出。雖然這些IC主要設(shè)計用于PC，但已用于其他類型的電子設(shè)備。他們配備了I2C 或 SMBus 接口，用于與控制器、處理器或計算機進行通信。通常，DAC輸出被饋入兩種類型的模擬放大器電路中的任何一種，以升壓其電壓輸出，以應(yīng)用于風扇。

這些系統(tǒng)是“開環(huán)”的，并受啟動電壓要求的約束。一種常見的方法是在降低風扇以達到所需速度之前，將全電壓饋送到風扇一小段間隔。最低可行速度是根據(jù)經(jīng)驗確定的，由于它隨時間和條件而變化，因此需要不斷重新驗證。

圖2描述了一個簡單的基于DAC的開環(huán)風扇控制的原理圖。它受啟動限制的約束。雖然通常與配備轉(zhuǎn)速計輸出的風扇一起使用，但IC僅使用這些轉(zhuǎn)速計信號來監(jiān)控風扇速度并確定速度是否低于“看門狗”限制。由于這些轉(zhuǎn)速計信號非常普遍，因此很容易有機會關(guān)閉風扇控制的環(huán)路。

圖2.簡單的開環(huán)風扇控制由一些健康監(jiān)測器、超級I/O和MAX1669典型的風扇控制器提供。這種設(shè)計可以通過任何DAC和任何接口來實現(xiàn)。健康監(jiān)測器IC始終具有轉(zhuǎn)速表的輸入，但僅作為看門狗功能，以便主機系統(tǒng)可以驗證風扇是否以最低速率運行。轉(zhuǎn)速表信號不直接用于風扇控制。由于啟動問題，DAC的某些范圍丟失，導致系統(tǒng)實際上對7位DAC的風扇速度控制不到8位。

閉環(huán)風扇控制放大器

通過使用閉合轉(zhuǎn)速表環(huán)路的外部放大器，可以對DAC驅(qū)動風扇控制器進行增強。這種方法基本上可以對從8到0的整個255位DAC代碼范圍進行線性控制。由于轉(zhuǎn)速表已經(jīng)存在，因此這種修改只需要一些信號調(diào)理和合適的放大器布置。在圖3所示電路中，對轉(zhuǎn)速計脈沖進行調(diào)理，以便去除（區(qū)分）所有脈沖寬度信息，僅保留脈沖速率信息。然后，代表頻率或風扇速度的脈沖用作積分電機控制放大器的反饋。

圖3.該閉環(huán)風扇控制放大器與圖2所示的IC配合使用。該設(shè)計使用轉(zhuǎn)速計信號進行反饋。這提供了對DAC整個輸出范圍的線性控制。風扇將在任何設(shè)置下可靠地啟動，而無需先將風扇全速啟動。

微分器的時間常數(shù)最初設(shè)置為在風扇全速下提供的脈沖剛好短于最短轉(zhuǎn)速計脈沖的持續(xù)時間。這通常提供的收益太少。可以通過減小R2或C1的值來增加增益。應(yīng)設(shè)置增益，使風扇剛好達到全速，并將全DAC輸出施加到放大器電路的輸入端。

積分器的時間常數(shù)設(shè)置為對速度變化提供平滑響應(yīng)，而不會產(chǎn)生任何過沖或搜尋。通常，這是根據(jù)實際風扇和系統(tǒng)的經(jīng)驗完成的。圖4和圖5中的曲線顯示了放大器在積分電容C2在0.1μF和1.0μF兩個值下的響應(yīng)。 這些值中的任何一個都符合慣常的穩(wěn)定性標準，這決定了過沖小于25%。

圖4.該圖描繪了一個具有0.01μF積分電容的閉環(huán)風扇控制放大器響應(yīng)階躍變化輸入。

圖5.該圖描繪了一個具有1μF積分電容的閉環(huán)風扇控制放大器響應(yīng)階躍變化輸入。

風扇調(diào)節(jié)集成解決方案

使用專用IC（如MAX6650/MAX6651）大大簡化了風扇調(diào)速設(shè)計。

MAX6650設(shè)計用于控制單個風扇。MAX6651控制單個風扇，可以監(jiān)視并充當另外三個風扇轉(zhuǎn)速計輸出的看門狗。多個MAX6651可以同步以控制多個風扇。這些風扇速度調(diào)節(jié)器與 I 接口2C 或 SMBus 并使用來自風扇的轉(zhuǎn)速計反饋來調(diào)節(jié)其速度。廣泛的可編程性可適應(yīng)各種風扇速度和類型。圖6所示為MAX6650的典型連接方式。

圖6所示，MAX6650/MAX6651與外部調(diào)整管配合使用。由于MAX6650/MAX6651的輸出級是模擬DAC和放大器組合，因此反饋從晶體管的漏極獲取到標有FB的IC上的端子。這種DAC/放大器組合需要本地反饋。完整環(huán)路的反饋實際上是風扇的轉(zhuǎn)速計信號，這也返回到MAX6650/MAX6651。這些器件將驅(qū)動風扇，直到轉(zhuǎn)速計信號與MAX6650/MAX6651速度寄存器中的編程周期相匹配。

圖6.MAX6650為風扇速度調(diào)節(jié)提供完整的集成、可接口方案。

控制高壓風扇

有些風扇的額定電壓范圍為24V至48V，MAX6650/MAX6651可以很容易地用于控制這些高壓風扇。只需將反饋和轉(zhuǎn)速計信號衰減到與實際電源和 12V 之差成正比的量即可。實質(zhì)上，MAX6650/MAX6651可以被“欺騙”，認為它控制著一個12V風扇。這種修改是通過反饋和轉(zhuǎn)速計輸出上的簡單衰減網(wǎng)絡(luò)完成的。

當設(shè)置這些衰減器的值時，TACHO引腳上的轉(zhuǎn)速計反饋信號應(yīng)始終保持比FB引腳上的電壓更正。這是在FB網(wǎng)絡(luò)上以稍大的衰減完成的。FB網(wǎng)絡(luò)實際上可以容忍很寬范圍的衰減，因為這只設(shè)置MAX6650/MAX6651輸出級的本地增益。該輸出級仍然包含在由TACHO信號形成的更大反饋環(huán)路中。

圖7所示為MAX6650/MAX6651連接至更高電壓風扇的電路。R1應(yīng)足夠大，以避免加載上拉電阻，R上拉.R1和R2的衰減因子設(shè)置為與12V以上電壓增加成正比的衰減因子。例如，在圖7中，R1和R2將轉(zhuǎn)速計信號衰減到風扇值的四分之一，因為風扇工作在48V。確定R1和R2的衰減因子后，選擇R3和R4具有稍大的衰減因子，以便反饋電壓始終比轉(zhuǎn)速計信號更負。在圖7中，反饋信號是Q1漏極值的五分之一。轉(zhuǎn)速計和反饋信號之間的關(guān)系如圖8所示的示波器軌跡所示。這種衰減關(guān)系是必要的，因為轉(zhuǎn)速計閾值（以FB引腳為參考）比FB引腳高約1.25V。

圖7.該電路使MAX6650能夠通過將反饋和轉(zhuǎn)速計信號衰減到類似于48V風扇產(chǎn)生的電平來控制12V風扇。在此設(shè)計中，選擇具有足夠額定電壓的 MOSFET。最差情況耗散將為 0.25 × I扇× V扇，其中我扇是風扇的額定電流和V扇是 24V 至 28V 電源。在確定散熱要求時，請考慮這一點。

圖8.左邊的示波器照片是在 780 rpm 下拍攝的，驅(qū)動 48V 電機。正確的跡線是在 1526 rpm 下拍攝的。方波是MAX6650轉(zhuǎn)速計引腳上的轉(zhuǎn)速計信號。直線是MAX6650FB引腳的反饋。請注意，在風扇的工作范圍內(nèi)，F(xiàn)B引腳上的電壓比TACHO引腳的負電壓更大。這是通過將圖3中的R4/R7組合設(shè)置為比R1/R2組合稍大的衰減來確保的。

隔離風扇驅(qū)動

在某些系統(tǒng)中，風扇的高波動接地電流會因接地回路而引起噪聲問題。接地環(huán)路問題很容易通過電流隔離來解決。圖9的原理圖可用于隔離任何I2C或SMBus風扇控制器，包括前面提到的MAX1669或MAX6650/MAX6651。該電路利用已經(jīng)隔離的風扇電源，使得MAX6650/MAX6651不必包括一個單獨的昂貴的隔離式5V DC-DC轉(zhuǎn)換器。MAX6330/MAX6331并聯(lián)穩(wěn)壓器提供了一種經(jīng)濟可靠的48V電壓調(diào)節(jié)方式。MAX23/MAX6330的SOT6331封裝與5W壓降電阻的尺寸相結(jié)合，優(yōu)于調(diào)整穩(wěn)壓器和散熱器。此外，5W電阻比散熱器更容易安裝，安裝成本更低。

圖9.隔離式風扇控制電路在高風扇電流產(chǎn)生的接地噪聲可能成為問題的情況下非常有用。IC1和IC2包括一個用于數(shù)據(jù)線的雙向數(shù)字隔離器。由于MAX6650/MAX6651僅作為時鐘輸入，因此IC3時鐘可以使用單向隔離。IC4是耦合的可選補充。

在圖9中，雙向光隔離器電路隔離數(shù)據(jù)線。雙向隔離器電路在前面的文獻中已經(jīng)描述過。1,2IC1和IC2連接在一起，因此兩端的低電平導致另一側(cè)的低電平，而無需隔離器電路鎖存。

幾乎所有的 I2這里討論的 C 和 SMBus 器件具有僅輸入的時鐘引腳（而不是某些 I2C IC，可以通過保持低時鐘來“拉伸”時鐘）。這種設(shè)計只需要一個單向隔離器，從而簡化了隔離。這些器件中的大多數(shù)還具有看門狗或報警輸出，可通過另一個單向隔離器耦合回控制器。

風扇速度調(diào)節(jié)與風扇速度控制

閉環(huán)風扇控制克服了控制直流無刷風扇所涉及的固有非線性。然后，風扇控制變?yōu)轱L扇速度調(diào)節(jié)。即使在風扇與風扇之間以及由于老化而變化的情況下，也能確保精確的風扇速度。通過可用的風扇控制和健康監(jiān)測IC，通過在輸出端使用閉環(huán)放大器電路，可以輕松實現(xiàn)閉環(huán)風扇調(diào)節(jié)。最近，IC提供閉環(huán)風扇速度調(diào)節(jié)。

這些相同的方法很容易適應(yīng)滿足更有限需求的電路。電信等許多應(yīng)用都使用48V風扇，這些電路和IC可以適應(yīng)該用途。電流隔離方法可以解決風扇電流尖峰大時偶爾出現(xiàn)的混亂接地環(huán)路問題。

審核編輯：郭婷