可靠性高、控制靈活、低功耗可調(diào)速風(fēng)扇散熱系統(tǒng)

簡介

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和服務(wù)器在功率較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多熱量，通常需要進(jìn)行散熱來保證系統(tǒng)正常工作，一般會(huì)采用安裝散熱風(fēng)扇的方案。對(duì)于帶溫度測(cè)量反饋的可調(diào)速風(fēng)扇散熱系統(tǒng)，根據(jù)對(duì)象溫度靈活調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，同時(shí)用MSP430微控制器作為控制平臺(tái)，與主機(jī)通過I2C接口通信，加入故障檢測(cè)和報(bào)警功能，具有可靠性高，控制靈活，節(jié)省系統(tǒng)能耗的優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)架構(gòu)

采用MSP430主控MCU和DRV8871電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)利用MSP430的片上ADC采集NTC熱敏電阻兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)低成本的溫度測(cè)量功能。另外，主控MCU在輸出可調(diào)占空比的PWM波形的同時(shí)，預(yù)留了I2C通信接口，主機(jī)CPU可以給MSP430下達(dá)控制命令和讀取溫度、轉(zhuǎn)速、故障狀態(tài)等信息。通過在散熱系統(tǒng)中加入溫度測(cè)量反饋，可根據(jù)待散熱對(duì)象的溫度情況，實(shí)時(shí)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，取代單一固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇散熱系統(tǒng)，達(dá)到一定的節(jié)能效果。同時(shí)，可以在風(fēng)扇發(fā)生故障失效或者溫度過高時(shí)，做出狀態(tài)預(yù)警和保護(hù)處理。其中，DRV8871電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，最大支持3.6A峰值電流，6.5V到45V的寬供電范圍，集成過流保護(hù)、過溫保護(hù)和休眠模式等功能。

圖1 系統(tǒng)框圖

此散熱系統(tǒng)方案具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

以溫度作為反饋的可調(diào)速風(fēng)扇散熱系統(tǒng)

I2C接口用于主機(jī)控制和讀數(shù)據(jù)

TI超低功耗系統(tǒng)微處理器MSP430

靈活的雙調(diào)速模式，主機(jī)控制和溫度控制

低成本的基于NTC的溫度測(cè)量

PWM的占空比控制分辨率達(dá)到0.5%

系統(tǒng)故障檢測(cè)和保護(hù)

高效率、高可靠性的節(jié)能散熱系統(tǒng)

主機(jī)I2C接口控制命令協(xié)議

系統(tǒng)主平臺(tái)CPU可通過I2C接口與散熱子系統(tǒng)進(jìn)行通信，讀取散熱子系統(tǒng)的溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)故障狀態(tài)等信息，同時(shí)可通過命令設(shè)置系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)進(jìn)入或者退出休眠模式。

控制命令包：

命令

參數(shù)1

參數(shù)2

校驗(yàn)和

返回?cái)?shù)據(jù)包：

溫度

轉(zhuǎn)速（MSB）

轉(zhuǎn)速（LSB）

風(fēng)扇故障狀態(tài)

NTC測(cè)量標(biāo)定和溫度查表
NTC是具有負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其電阻值隨溫度上升而下降，可用來作為溫度傳感器?？紤]到散熱系統(tǒng)對(duì)溫度測(cè)量精度要求相對(duì)不高，系統(tǒng)采用NTC測(cè)量溫度的方案，以MSP430的片上ADC作為轉(zhuǎn)換，具有低成本的優(yōu)勢(shì)。電阻值隨溫度有如下關(guān)系

其中，是在環(huán)境溫度為（單位為）時(shí)對(duì)應(yīng)的NTC阻值，是NTC的溫度常數(shù)。

采用NTC作為傳感器測(cè)量溫度，其電路圖如圖2所示。分壓電阻R7與NTC電阻RT1串聯(lián)，中間電壓作為MSP430的ADC模塊的模擬輸入。分壓電阻阻值根據(jù)所選用型號(hào)的NTC的數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的溫度特性選擇，以保證有較好輸入電壓范圍和分辨率。

圖2 NTC測(cè)溫電路

因?yàn)樯婕暗綇?fù)雜的對(duì)數(shù)運(yùn)算，對(duì)于低成本精度要求不高的場(chǎng)景，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量標(biāo)定生成溫度與ADC采樣值的對(duì)應(yīng)表格，查表法更適合。首先用溫控設(shè)備，標(biāo)定出溫度與ADC采樣值的表。由測(cè)量電路結(jié)構(gòu)可知，ADC采樣值與當(dāng)前溫度成反比關(guān)系，因此測(cè)出的數(shù)據(jù)表為順序表，可采用順序查表算法。

圖3查表法測(cè)溫度

雙控制模式和軟起動(dòng)特性

系統(tǒng)支持兩種調(diào)速模式，除了采用溫度反饋來調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速之外，主機(jī)還可通過I2C接口來給MSP430微控制器發(fā)送命令設(shè)置當(dāng)前風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。當(dāng)主機(jī)發(fā)送設(shè)置轉(zhuǎn)速命令，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)速主機(jī)控制轉(zhuǎn)速模式，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由主機(jī)所給命令參數(shù)決定，當(dāng)需要退出主機(jī)控制模式，則發(fā)送退出設(shè)置轉(zhuǎn)速模式命令，即轉(zhuǎn)為溫度反饋控制模式。另外，為了防止風(fēng)扇在啟動(dòng)和停止或者從一個(gè)較低的速度突然加速到高速時(shí)，電機(jī)電流過大，在MSP430的控制軟件中加入了緩步軟啟動(dòng)的代碼，風(fēng)扇將從當(dāng)前轉(zhuǎn)速以一定的步長逐步變化到設(shè)定轉(zhuǎn)速。

圖4 雙控制模式