冷卻風(fēng)扇被廣泛使用并且在電子設(shè)備中極為重要，尤其是對(duì)于那些經(jīng)常運(yùn)行的設(shè)備。這包括電源、服務(wù)器、計(jì)算機(jī)和電信設(shè)備。

低成本冷卻系統(tǒng)通常基于持續(xù)全速運(yùn)行的 2 線風(fēng)扇。溫度比例速度控制的缺失和無法檢測(cè)到風(fēng)扇鎖定（通常只有更昂貴的 3 線風(fēng)扇才有可能）縮短了風(fēng)扇的壽命，并可能對(duì)正在冷卻的系統(tǒng)造成致命的損壞。

本文介紹如何配置電源管理 IC — SLG47105 — 以實(shí)現(xiàn)智能脈寬調(diào)制 （PWM） 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具有溫度比例速度控制和鎖定檢測(cè)功能，適用于 12V 2 線風(fēng)扇。它代表了一種外部組件最少的低成本解決方案。

圖1此應(yīng)用中使用了無刷直流風(fēng)扇。資料來源：瑞薩電子

冷卻風(fēng)扇通常使用帶有基于霍爾傳感器的簡(jiǎn)單內(nèi)部換向電路的無刷直流電機(jī)，由直流電壓供電。風(fēng)扇的速度與直流電壓成正比，可以通過 PWM 技術(shù)進(jìn)行控制。

以下是工程師如何在其產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn) PWM 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)要概述，從這種設(shè)計(jì)方法的基本結(jié)構(gòu)和工作原理開始。

結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

此設(shè)計(jì)有 4 個(gè)輸入和 1 個(gè)輸出：

PIN # 2 用于模擬輸入以控制風(fēng)扇速度

PIN # 3 用于控制模式選擇輸入

PIN # 14 用于 PWM 輸入，用于直接控制輸出驅(qū)動(dòng)器

PIN # 17 用于關(guān)閉輸入以禁用風(fēng)扇

PIN # 16 用于故障輸出，低電平有效

圖 2這是典型應(yīng)用電路的樣子。資料來源：瑞薩電子

在上面顯示的應(yīng)用電路中，輸入模式連接到 GND，設(shè)計(jì)工作在“模擬模式”，因?yàn)轱L(fēng)扇速度與 PIN #2 上的電壓成正比。該設(shè)計(jì)還允許工程師直接控制輸出驅(qū)動(dòng)器PIN # 14 上的 PWM 信號(hào)。在這種情況下，輸入模式必須連接到VDD（“數(shù)字模式”）。

PIN # 19 和 PIN # 20 用于檢測(cè)溫度閾值。它們都必須在“模擬模式”中連接到 PIN #2，在“數(shù)字模式”中連接到 V DD。

上表顯示了風(fēng)扇參數(shù)。

圖3原型展示了一個(gè)具有最少外部組件的低成本解決方案。資料來源：瑞薩電子

HVPAK 設(shè)計(jì)剖析

此電路設(shè)計(jì)是在 GreenPAK Designer 軟件中創(chuàng)建的，該軟件是Go Configure 軟件中心的一部分，可免費(fèi)使用，讓工程師無需任何編程語言知識(shí)即可創(chuàng)建電路設(shè)計(jì)。此鏈接下提供了完整的設(shè)計(jì)文件。

圖 4該圖突出顯示了 HVPAK 設(shè)計(jì)構(gòu)建塊。資料來源：瑞薩電子

電壓比例風(fēng)扇速度控制

風(fēng)扇速度控制塊允許工程師使用電壓輸入來控制風(fēng)扇速度。驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的 PWM 的占空比與輸入電壓成正比（介于 0 V 和 3 V 之間）。

圖 5驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的 PWM 的占空比與輸入電壓成正比。資料來源：瑞薩電子

帶有積分器和比較器宏單元的差分放大器放大高壓輸出上的電壓，提取平均值，并將其與參考電壓（PIN #2 上的電壓 V IN ）進(jìn)行比較。宏單元根據(jù)比較結(jié)果激活“相等”或“上行”輸出。

PWM 宏單元使用“equal”和“upword”信號(hào)來遞增或遞減占空比計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)一個(gè) 8 位值，表示生成的 PWM 波形的占空比。這樣，該模塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)調(diào)整占空比的循環(huán)，以方便以下表達(dá)式：

V平均值= 4*V IN這里，V mean是風(fēng)扇上的平均電壓，常數(shù) 4 是差分放大器的增益。

因此，輸出占空比取決于輸入電壓，公式如下：

直流 （%） = （4*V IN / V DD2 _A）*100

在此示例中，V DD2 _A 為 12 V，我們得到 100% 的占空比且 V IN = 3 V。圖 6顯示了輸出 PWM 波形 （CH1） 和輸入電壓 （CH2），其中 V IN ≈ 1.5 V 和因此 dc ≈ 50%。

圖 6輸出占空比取決于輸入電壓。資料來源：瑞薩電子

鎖定檢測(cè)和自動(dòng)重啟

該模塊可以檢測(cè)風(fēng)扇是否停止，無論是因?yàn)樗黄韧Ｖ惯€是因?yàn)樗c驅(qū)動(dòng)器斷開連接。當(dāng)檢測(cè)到鎖定時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器被禁用。在第一種情況下，還需要保護(hù)風(fēng)扇免受致命損壞。在這兩種情況下，該塊都可用于激活故障輸出，以便系統(tǒng)可以保護(hù)自身免受過熱。

此外，當(dāng)檢測(cè)到鎖定時(shí)，該模塊會(huì)嘗試在可編程延遲時(shí)間后自動(dòng)重新啟動(dòng)風(fēng)扇。

圖 7鎖定檢測(cè)和自動(dòng)重啟模塊基于通過與驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)的電阻器完成的電流測(cè)量。資料來源：瑞薩電子

如上圖所示，該模塊基于通過與驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)的電阻器獲得的電流測(cè)量值。電阻器在傳感器輸入端提供與電機(jī)電流成比例的電壓信號(hào)。要了解如何檢測(cè)風(fēng)扇鎖定，我們需要了解直流無刷風(fēng)扇的電路。

圖 8無刷直流風(fēng)扇使用簡(jiǎn)單的開關(guān)電路。資料來源：瑞薩電子

無刷直流風(fēng)扇使用如圖 8所示的簡(jiǎn)單開關(guān)電路。霍爾傳感器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置打開兩個(gè)晶體管之一，以激活正確的線圈并確保旋轉(zhuǎn)。如圖 9所示，這些換向會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇電流的短暫和周期性中斷。另一方面，如果風(fēng)扇被鎖定，則沒有換向，也沒有電流中斷，如圖10所示。

圖 9在正常運(yùn)行期間的風(fēng)扇電流波形中，傳感器引腳上的信號(hào)被放大 120 倍以進(jìn)行測(cè)量。資料來源：瑞薩電子

圖 10如果風(fēng)扇被鎖定，則沒有換向和電流中斷。資料來源：瑞薩電子

比較器 CCMP0 用于在每次電流中斷時(shí)提供一個(gè)脈沖。這些脈沖的下降沿不斷觸發(fā) CNT1/DLY1 宏單元（配置為延遲模式），只要脈沖不斷到來，它將保持其輸出為低電平。如果大約 50 ms 內(nèi)沒有脈沖出現(xiàn)，輸出將變?yōu)楦唠娖剑|發(fā) CNT3/DLY3（配置為單次模式）以提供持續(xù)時(shí)間為 5 秒的負(fù)脈沖。在此間隔期間，輸出驅(qū)動(dòng)器被禁用。故障輸出為低電平有效，由 CNT3/DLY3 輸出驅(qū)動(dòng)。

5 秒后，輸出驅(qū)動(dòng)器再次啟用。如果風(fēng)扇仍處于鎖定狀態(tài)，設(shè)備將再次進(jìn)入故障狀態(tài)。

3 輸入 OR 用于禁用鎖定檢測(cè)邏輯，如下節(jié)所述

啟動(dòng)定時(shí)器

由于風(fēng)扇由于慣性而無法立即開始旋轉(zhuǎn)，鎖定檢測(cè)邏輯可能會(huì)檢測(cè)到錯(cuò)誤的故障情況并過早禁用輸出驅(qū)動(dòng)器。該模塊用于在電機(jī)啟動(dòng)期間繞過鎖定檢測(cè)邏輯，以避免出現(xiàn)這種不需要的情況。

圖 11啟動(dòng)定時(shí)器塊用于在電機(jī)啟動(dòng)期間繞過鎖定檢測(cè)邏輯。資料來源：瑞薩電子

該塊在下降沿激活的單發(fā)模式中使用 CNT2/DLY2。下降沿由 POR 或“SHDN”信號(hào)產(chǎn)生。在第一種情況下，上升沿檢測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)由 POR 觸發(fā)的短脈沖，因此在上電時(shí)會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)。相反，“SHDN”信號(hào)的下降沿對(duì)應(yīng)于風(fēng)扇正在重新啟動(dòng)的所有情況。

當(dāng)檢測(cè)到下降沿時(shí)，“STARTUP”輸出變?yōu)楦唠娖郊s 125 ms，無論來自 CCMP0 的信號(hào)是什么，都會(huì)在 CNT1/DLY1 的輸入端強(qiáng)制為邏輯 1（參見圖 7）。這允許工程師禁用由下降沿觸發(fā)的鎖定檢測(cè)鏈；“STARTUP”信號(hào)可能只是產(chǎn)生一個(gè)上升沿，但它不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

最低速度和停止閾值

該設(shè)計(jì)允許工程師設(shè)置最低風(fēng)扇速度和最低溫度，低于該溫度時(shí)風(fēng)扇將被禁用。

圖 12此塊設(shè)置最低風(fēng)扇速度和最低溫度，低于該最低溫度風(fēng)扇將被禁用。資料來源：瑞薩電子

為此，使用了兩個(gè)電壓比較器。比較器的輸入連接到 V IN電壓，該電壓控制風(fēng)扇的速度并與檢測(cè)到的溫度成正比。

由于輸入電壓與速度成正比，因此可以通過在比較器上設(shè)置電壓閾值來設(shè)置最小風(fēng)扇速度。當(dāng)輸入電壓低于閾值時(shí)，比較器的輸出 （MIN SPEED） 變?yōu)榈碗娖剑⑼ㄟ^ 2 位 LUT 強(qiáng)制高電平以“保持”PWM 宏單元的輸入。這樣，只要輸入電壓低于閾值，輸出占空比就不能進(jìn)一步降低，從而設(shè)置最小風(fēng)扇速度。

類似的概念適用于其他比較器。在這種情況下，電壓閾值必須對(duì)應(yīng)于溫度傳感器的最低溫度。當(dāng)輸入電壓低于閾值時(shí)，比較器的輸出 （FAN STOP） 變?yōu)榈碗娖讲⒔幂敵鲵?qū)動(dòng)器，從而停止風(fēng)扇。

對(duì)于這兩個(gè)比較器，都使用了 32mV 的遲滯。

最終實(shí)施

下面是輸入電壓和輸出占空比之間比例的圖形描述。

圖 13 In 輸出波形 （C1），V IN ≈ 1 V （C2）。資料來源：瑞薩電子

圖 14 In 輸出波形 （C1），V IN ≈ 1.5 V （C2）。資料來源：瑞薩電子

圖 15 In 輸出波形 （C1），V IN ≈ 2.4 V （C2）。資料來源：瑞薩電子

圖 16顯示風(fēng)扇強(qiáng)制停止時(shí)的風(fēng)扇電流 （C1） 和故障輸出 （C2）。資料來源：瑞薩電子

以下是風(fēng)扇停止且輸入電壓低于最低閾值時(shí)的最低溫度。

圖 17這是最終結(jié)果的輸出波形 （C1） 和輸入電壓 （C2） 的樣子。資料來源：瑞薩電子

本文介紹了如何配置高壓 GreenPAK IC SLG47105 以實(shí)現(xiàn)具有最少外部組件的智能脈寬調(diào)制 （PWM） 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器。由于具有大電流功能的集成驅(qū)動(dòng)器，該設(shè)計(jì)非常靈活，可以適應(yīng)各種風(fēng)扇。該設(shè)計(jì)還允許工程師輕松配置參數(shù)，包括 PWM 頻率、最低速度和最低溫度。

Gabriele Mantovani 是一名電子工程師。