基于溫度的風(fēng)扇控制在越來越多的系統(tǒng)中是必要的，既可以降低系統(tǒng)噪音，又可以提高風(fēng)扇可靠性。當(dāng)風(fēng)扇控制通過風(fēng)扇速度監(jiān)控增強(qiáng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于制造差異和風(fēng)扇磨損的速度控制回路。此外，可以識(shí)別即將發(fā)生故障的風(fēng)扇，以便在發(fā)生故障之前對(duì)其進(jìn)行更換。本文討論MAX6650和MAX6651這兩款具有線性閉環(huán)風(fēng)扇速度控制的風(fēng)扇控制器的工作原理。

介紹

隨著IC設(shè)計(jì)人員努力將更多以更高速度運(yùn)行的晶體管放入更小的封裝中，結(jié)果只有一個(gè)：熱量！再加上這些高功率IC被設(shè)計(jì)成不斷縮小的盒子，你最終會(huì)遇到一個(gè)真正的熱管理問題。對(duì)于許多應(yīng)用，這意味著使用風(fēng)扇。不幸的是，隨著風(fēng)扇的使用，機(jī)械故障、功耗增加和噪音增加等常見的風(fēng)扇頭痛。風(fēng)扇速度控制和監(jiān)控可以緩解其中一些頭痛，從而產(chǎn)生更安靜、更可靠的風(fēng)扇，使用更少的功率。

無刷直流風(fēng)扇

在我們進(jìn)入監(jiān)管和監(jiān)控風(fēng)扇的主題之前，我們首先需要了解風(fēng)扇本身。無刷直流風(fēng)扇往往是大多數(shù)電子外殼的首選解決方案。這些風(fēng)扇將高可靠性與易用性相結(jié)合。基本的直流無刷風(fēng)扇是一個(gè) 2 線設(shè)備，在其上施加直流電壓。僅此而已。最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)冷卻方法是將風(fēng)扇連接到直流電源并讓它運(yùn)行。快速瀏覽風(fēng)扇目錄會(huì)發(fā)現(xiàn)，可以使用標(biāo)稱 5V、12V、24V 或 48V 工作的風(fēng)扇。目前，12V風(fēng)扇似乎是使用最廣泛的。隨著越來越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有12V電源，5V風(fēng)扇可能會(huì)變得更加普遍。在電信應(yīng)用中，48V風(fēng)扇特別受歡迎。

無刷直流風(fēng)扇被稱為“無刷”，因?yàn)轱L(fēng)扇內(nèi)的電動(dòng)機(jī)是電子換向的。較舊的直流風(fēng)扇使用機(jī)械刷，由于整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械磨損，這可能會(huì)導(dǎo)致電磁干擾 （EMI） 增加以及灰塵顆粒。隨著時(shí)間的推移，風(fēng)扇會(huì)磨損并最終失效。無刷風(fēng)扇已經(jīng)用電子傳感器和開關(guān)取代了這些機(jī)械電刷，現(xiàn)在執(zhí)行必要的換向。該換向電路安裝在風(fēng)扇本身內(nèi)，對(duì)用戶完全透明。最終結(jié)果是一個(gè)簡(jiǎn)單易用、可靠的2線器件。這大大提高了這些風(fēng)扇的使用壽命和可靠性。

對(duì)于最終用戶來說，直流無刷風(fēng)扇的電氣特性相當(dāng)簡(jiǎn)單。隨著施加到風(fēng)扇的直流電壓的變化，其速度和電流消耗也會(huì)變化。對(duì)于一階，速度和電流與施加的直流電壓成正比。參見圖 1 和圖 2。

圖1.風(fēng)扇電流與風(fēng)扇電壓的關(guān)系（12V 額定風(fēng)扇）。

圖2.風(fēng)扇速度與風(fēng)扇電壓的關(guān)系（12V 額定風(fēng)扇）。

風(fēng)扇監(jiān)控選項(xiàng)

盡管無刷換向在提高風(fēng)扇的使用壽命和可靠性方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但它們?nèi)匀皇菣C(jī)械設(shè)備，容易出現(xiàn)機(jī)械磨損和故障。隨著時(shí)間的推移，風(fēng)扇速度和冷卻效率會(huì)慢慢降低或完全失效。這就是為什么持續(xù)監(jiān)控風(fēng)扇狀況很重要的原因。大多數(shù)風(fēng)扇制造商都提供了多種方法來做到這一點(diǎn)。這些選項(xiàng)大致分為兩類：報(bào)警傳感器和速度傳感器。報(bào)警傳感器通常發(fā)出數(shù)字信號(hào)，指示風(fēng)扇已降至某個(gè)速度閾值以下或已完全停止。例如，依必安派特公司提供了一個(gè)選項(xiàng)，每當(dāng)風(fēng)扇速度下降到其標(biāo)稱速度的75%至85%時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一系列低調(diào)的數(shù)字脈沖。NMB Technologies提供了一個(gè)略有不同的選項(xiàng)，稱為“鎖定轉(zhuǎn)子報(bào)警信號(hào)”。每當(dāng)風(fēng)扇完全停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，此信號(hào)就會(huì)變高。

制造商還提供帶有速度傳感器的風(fēng)扇，這些傳感器提供數(shù)字輸出，其頻率與風(fēng)扇速度成正比。最常見的速度傳感器每轉(zhuǎn)提供兩個(gè)脈沖。根據(jù)制造商和提供的選件，速度和報(bào)警傳感器都可以訂購集電極開路或內(nèi)部上拉輸出。內(nèi)部上拉輸出可以與TTL兼容，也可以擺動(dòng)風(fēng)扇的全電源電壓。圖3顯示了依必安派特公司提供的輸出級(jí)。需要注意的是，報(bào)警和速度傳感器與電機(jī)及其換向電子設(shè)備共享相同的電源電壓。為控制風(fēng)扇速度而對(duì)電源電壓的任何變化也會(huì)影響換向電子設(shè)備和速度/報(bào)警傳感器。

圖 3a.該速度傳感器輸出為集電極開路，具有弱上拉電阻，不一定與TTL兼容。

圖 3b.連接到該速度傳感器輸出的齊納二極管可確保TTL兼容性。

圖 3c.這種集電極開路速度傳感器輸出可實(shí)現(xiàn)最大的靈活性，但只需一個(gè)外部上拉電阻器。

為什么要使用速度控制？

為應(yīng)用選擇風(fēng)扇時(shí)，必須針對(duì)最壞情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。這意味著選擇能夠移動(dòng)足夠空氣的風(fēng)扇，以保持系統(tǒng)充分冷卻，即使在最壞的環(huán)境溫度、功耗、風(fēng)扇生產(chǎn)公差和風(fēng)扇老化的情況下也是如此。現(xiàn)實(shí)情況是，該系統(tǒng)將在最壞的情況下花費(fèi)大部分時(shí)間。在這一點(diǎn)上，應(yīng)該很明顯的是，在大多數(shù)情況下，風(fēng)扇速度可以降低而不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，并且只有在條件需要時(shí)才增加。不太明顯的是為什么要打擾風(fēng)扇速度控制呢？

降低可聞噪音

風(fēng)扇速度控制最明顯的優(yōu)勢(shì)之一是緩解您的耳朵。全速運(yùn)行的風(fēng)扇可能是一個(gè)重要的煩惱來源，特別是對(duì)于在安靜的辦公環(huán)境中使用的設(shè)備。大多數(shù)辦公室的溫度通常明顯低于電子設(shè)備的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度，這意味著可以降低風(fēng)扇速度而不會(huì)產(chǎn)生不利影響，這讓聽覺距離內(nèi)的每個(gè)人都松了一口氣。

降低功耗

筆記本電腦等應(yīng)用將受益于降低的功耗。圖 4 顯示了三種不同風(fēng)扇的典型功耗與風(fēng)扇速度的關(guān)系。功耗可以近似為風(fēng)扇速度的平方。以圖4中的日本電產(chǎn)風(fēng)扇為例，在69V時(shí)將風(fēng)扇速度降低到標(biāo)稱值的12%，可將功耗降低一半。

圖4.功耗與風(fēng)扇速度的關(guān)系。

延長(zhǎng)使用壽命

降低風(fēng)扇速度也會(huì)減少風(fēng)扇的磨損。風(fēng)扇磨損是風(fēng)扇絕對(duì)轉(zhuǎn)數(shù)的粗略函數(shù)。減少磨損意味著更長(zhǎng)的使用壽命，因此平均故障間隔時(shí)間 （MTBF） 更長(zhǎng)。由于風(fēng)扇是機(jī)械的，因此它們往往是系統(tǒng)中最常見的故障之一。任何可以改善風(fēng)扇MTBF的措施也會(huì)導(dǎo)致終端設(shè)備中的MTBF顯著增加。這在服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等系統(tǒng)中尤其重要。

減少堵塞

任何打開舊設(shè)備的人都知道，灰塵似乎被電子產(chǎn)品所吸引，尤其是在帶有風(fēng)扇的系統(tǒng)中。當(dāng)灰塵聚集在帶有風(fēng)扇的系統(tǒng)的入口和排氣口時(shí)，氣流可能會(huì)減少或完全停止。當(dāng)然，這會(huì)導(dǎo)致冷卻減少和溫度升高。降低風(fēng)扇速度可以降低系統(tǒng)收集灰塵的速度，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。

速度控制方法

現(xiàn)在我們更好地了解了直流無刷風(fēng)扇、它們的可用選項(xiàng)以及速度控制的好處，我們將研究三種控制速度的方法。每種方法在成本與性能方面都進(jìn)行了權(quán)衡。

直接脈寬調(diào)制

脈寬調(diào)制 （PWM） 風(fēng)扇直接涉及以固定頻率打開和關(guān)閉風(fēng)扇的電源。進(jìn)行占空比調(diào)整以控制風(fēng)扇的速度。占空比越大，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)得越快。為此方法選擇合適的頻率可能有些棘手。如果PWM信號(hào)的頻率太慢，風(fēng)扇的速度將在PWM周期內(nèi)明顯振蕩。為了說明這一點(diǎn)，請(qǐng)采用50%占空比，0.01Hz驅(qū)動(dòng)信號(hào)的荒謬極端。風(fēng)扇將在前 50 秒內(nèi)全速旋轉(zhuǎn)，然后在接下來的 50 秒內(nèi)停止。頻率也可能太高，因?yàn)閾Q向是使用關(guān)閉風(fēng)扇正負(fù)端子的電路以電子方式完成的。將PWM與風(fēng)扇一起使用，因此內(nèi)部換向電子設(shè)備過快會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部換向電子設(shè)備停止正常工作。請(qǐng)記住，這些電子設(shè)備并非設(shè)計(jì)用于使用直流電源以外的任何東西。因此，有用頻率范圍為20Hz至160Hz。此外，PWM上升和下降時(shí)間必須足夠慢，以確保風(fēng)扇的長(zhǎng)期可靠性。

與所有事情一樣，直接應(yīng)用PWM有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)包括非常簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路（見圖8a和8b）、良好的啟動(dòng)特性以及調(diào)整管的最小散熱。缺點(diǎn)包括風(fēng)扇壓力增加以及無法使用速度或警報(bào)傳感器。請(qǐng)注意，速度和報(bào)警傳感器的電源電壓與電機(jī)相同。由于電源電壓以20Hz至160Hz的速率上電和關(guān)閉，因此速度和報(bào)警電路也會(huì)上下電，從而有效地使速度和報(bào)警傳感器失效。

在PWM控制期間，施加到風(fēng)扇的電壓是其額定電壓（12V風(fēng)扇為12V）或0V。但是，由于風(fēng)扇以低于其額定速度的速度旋轉(zhuǎn)（請(qǐng)記住，這就是整個(gè)想法），因此其反電動(dòng)勢(shì)會(huì)降低。這會(huì)導(dǎo)致在PWM周期的導(dǎo)通期間流過繞組的電流高于標(biāo)稱值。盡管風(fēng)扇設(shè)計(jì)用于處理增加的電流，例如在啟動(dòng)期間，但在風(fēng)扇的使用壽命內(nèi)，每秒 30 次的電流增加可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)面的可靠性問題。但即使有這些缺點(diǎn)，PWM控制也可能是低成本非關(guān)鍵應(yīng)用中的合適解決方案。

線性調(diào)節(jié)

顧名思義，“線性調(diào)節(jié)”通過使用線性穩(wěn)壓器來調(diào)節(jié)風(fēng)扇兩端的直流電壓。使用此方法時(shí)，請(qǐng)務(wù)必確保風(fēng)扇指定為在很寬的電壓范圍內(nèi)工作。與PWM相比，線性調(diào)節(jié)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它允許使用速度和報(bào)警傳感器。不幸的是，線性調(diào)節(jié)也有其缺點(diǎn)：主要是調(diào)整元件的功耗，以及啟動(dòng)和失速問題。

線性穩(wěn)壓器控制風(fēng)扇兩端的直流電壓。他們通過以熱量的形式耗散功率來做到這一點(diǎn)。為了冷卻某些東西而產(chǎn)生熱量似乎很愚蠢。但這并不像你想象的那么荒謬。在最大和最小冷卻期間，理想情況下功耗為零。在最大冷卻期間，調(diào)整元件完全開啟，因此其兩端的電壓幾乎為零。零伏意味著零功耗。在最小冷卻期間，調(diào)整元件關(guān)閉（零電流流過），因此功耗再次為零。如前所述，風(fēng)扇的電流消耗可以近似為所施加電壓的線性函數(shù)，使其看起來是電阻性的。考慮到這一點(diǎn)，最壞情況下的功耗大約發(fā)生在風(fēng)扇兩端的電壓是其最大工作電壓的一半時(shí)。參見圖 5。這意味著通過元件中的最壞情況功耗可以通過以下公式估算：P = 1/4（V.MAX× I.MAX），其中我.MAX和 V.MAX分別是風(fēng)扇的額定電壓和電流。例如，當(dāng)采用1V電源以2V工作時(shí)，12.98W風(fēng)扇（300V/6mA）在調(diào)整元件上的最差功耗僅為12mW。令人欣慰的是，風(fēng)扇電路的最大散熱發(fā)生在最低冷卻要求期間。此外，即使使用功耗設(shè)備，當(dāng)風(fēng)扇速度降低時(shí)，總體上仍可節(jié)省功耗。參見圖 6。

圖5.線性穩(wěn)壓器調(diào)整元件的功耗與風(fēng)扇電源電壓的關(guān)系

圖6.線性調(diào)節(jié)風(fēng)扇電路的總功耗。

啟動(dòng)和停頓問題是相關(guān)的。風(fēng)扇在啟動(dòng)之前需要一定的電壓。這稱為“啟動(dòng)電壓”。一旦風(fēng)扇已經(jīng)旋轉(zhuǎn)，將電壓降低到失速電壓以下將導(dǎo)致風(fēng)扇停止。啟動(dòng)電壓等于或（通常）大于失速電壓。通常它們是風(fēng)扇額定電壓的 25% 到 50%。當(dāng)使用線性調(diào)節(jié)而不進(jìn)行速度監(jiān)控時(shí)，無法知道風(fēng)扇是否已經(jīng)停止甚至啟動(dòng)。

此問題有幾種解決方案。一種是防止風(fēng)扇兩端的電壓低于啟動(dòng)電壓。雖然這在軟件中很容易實(shí)現(xiàn)，但選擇正確的電壓以確保所有風(fēng)扇正確啟動(dòng)并考慮老化可能會(huì)限制速度控制的有用范圍。您可能必須選擇標(biāo)稱值為 60% 的最小最壞情況電壓，以確保所有風(fēng)扇都能啟動(dòng)。考慮到普通風(fēng)扇可能很容易控制在 40% 以上，這可能是浪費(fèi)。另一種解決方案是使用帶轉(zhuǎn)速表的風(fēng)扇。轉(zhuǎn)速表現(xiàn)在可以通過微控制器進(jìn)行監(jiān)控，允許軟件知道風(fēng)扇何時(shí)未啟動(dòng)或是否停止。盡管這種方法更加健壯且浪費(fèi)更少，但它需要設(shè)計(jì)時(shí)間和額外的硬件/軟件資源。

直流-直流調(diào)節(jié)

DC-DC調(diào)節(jié)類似于線性調(diào)節(jié)，因?yàn)樗ㄟ^調(diào)節(jié)風(fēng)扇兩端的直流電壓來控制風(fēng)扇的速度。但是，與線性穩(wěn)壓器不同，DC-DC穩(wěn)壓器使用開關(guān)模式電源。由于這兩種方法都通過調(diào)節(jié)直流電壓來控制速度，因此它們往往具有相同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。然而，一個(gè)例外是DC-DC穩(wěn)壓器理想情況下效率為100%，并且不會(huì)產(chǎn)生任何熱量（實(shí)際效率往往約為75%至95%）。這種效率的代價(jià)是增加了成本和復(fù)雜性（見圖8e和8f）。盡管 DC-DC 穩(wěn)壓器往往效率更高，但在全風(fēng)扇速度下，不會(huì)真正節(jié)省功耗（參見圖 7）。只有當(dāng)風(fēng)扇速度從最大值降低時(shí)，使用 DC-DC 穩(wěn)壓器才能獲得真正的收益。當(dāng)風(fēng)扇兩端的電壓是最大可用電壓的一半時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生最大的效率優(yōu)勢(shì)。發(fā)生這種情況的原因與線性穩(wěn)壓器在電源電壓的一半相同時(shí)耗散其最大值的原因相同。由于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的成本和復(fù)雜性增加以及節(jié)能有限，DC-DC 穩(wěn)壓器通常保留用于電池供電系統(tǒng)或使用大功率風(fēng)扇或大量風(fēng)扇的系統(tǒng)。與往常一樣，對(duì)于所有DC-DC轉(zhuǎn)換器，在布局過程中必須小心。

圖7.日本電產(chǎn)TA225 12V風(fēng)扇加驅(qū)動(dòng)電路的總功耗。

高邊驅(qū)動(dòng)與低邊驅(qū)動(dòng)

上述三種方法都可以使用高邊或低邊驅(qū)動(dòng)晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)（見圖8）。由于電平轉(zhuǎn)換，高端驅(qū)動(dòng)需要稍微復(fù)雜的電路，但它的優(yōu)點(diǎn)是將風(fēng)扇的負(fù)極端子保持在地上。因此，速度和報(bào)警傳感器現(xiàn)在是以地面為參考的，并且更容易與它們連接。

圖 8a. PWM 驅(qū)動(dòng)器，低側(cè)。

圖 8b. PWM 驅(qū)動(dòng)器，高壓側(cè)。

圖 8c.線性調(diào)節(jié)，低側(cè)。

圖 8d.線性調(diào)節(jié)，高側(cè)。

圖 8e. DC-DC 模式，低側(cè)。

圖 8f. 直流-直流模式，高壓側(cè)。

相比之下，低邊驅(qū)動(dòng)不需要驅(qū)動(dòng)晶體管的電平轉(zhuǎn)換器，但需要對(duì)速度和報(bào)警傳感器進(jìn)行某種類型的轉(zhuǎn)換。使用低側(cè)驅(qū)動(dòng)晶體管時(shí)，風(fēng)扇的正極端子保持在恒定的12V（假設(shè)風(fēng)扇為12V），而風(fēng)扇的負(fù)極端子則上下調(diào)節(jié)以控制速度。不幸的是，速度和報(bào)警傳感器共享風(fēng)扇的負(fù)極端子，并隨著風(fēng)扇速度進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致需要電平轉(zhuǎn)換。

應(yīng)用信息

無轉(zhuǎn)速表的速度控制

圖 9 和圖 10 給出了兩個(gè)風(fēng)扇電路示例，這些電路是為不需要報(bào)警或速度傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。圖9所示，MAX1669配置為在PWM模式下驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。圖10所示為MAX1669配置為直流線性模式。

MAX1669既是溫度傳感器又是風(fēng)扇控制器。

圖9.MAX1669以PWM模式驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。

圖 10.MAX1669配置為直流線性模式。

這兩個(gè)模塊彼此獨(dú)立工作，旨在與微控制器一起使用。MAX1669與微控制器之間的通信通過SMBus兼容接口完成。SMB接口為2線串行接口，與I2C接口非常相似，通常向后兼容。

MAX1669使用遠(yuǎn)端安裝的二極管報(bào)告外部溫度。圖9和圖10所示為MAX1669，使用2N3906作為該二極管連接。某些IC的芯片上有時(shí)會(huì)包含類似的二極管。一個(gè)例子是Virtex系列零件。這些器件有兩個(gè)引腳，分別標(biāo)記為 DXN 和 DXP。將MAX1669直接連接到這些引腳，可以直接測(cè)量管芯溫度。這允許風(fēng)扇電路更嚴(yán)格地控制特定IC的管芯溫度。它還消除了將溫度傳感器安裝到IC封裝、熱時(shí)間常數(shù)以及必須進(jìn)行熱阻計(jì)算的后顧之憂。?

該電路（以及討論的其他電路）在溫度方面要么作為開環(huán)運(yùn)行，要么作為閉環(huán)運(yùn)行。當(dāng)作為開環(huán)運(yùn)行時(shí)，溫度傳感器通過將傳感器安裝在設(shè)備的入口處來測(cè)量環(huán)境溫度。隨著環(huán)境溫度的升高，風(fēng)扇速度在軟件控制下增加。在這種配置中，理想情況下，增加或減少風(fēng)扇速度對(duì)測(cè)量的溫度沒有影響。因此，該系統(tǒng)沒有形式的熱反饋，并且是開環(huán)的。因?yàn)樗情_環(huán)的，所以沒有穩(wěn)定性問題，因此軟件設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。但是，沒有直接的方法可以知道需要冷卻的組件的實(shí)際溫度。例如，如果由于部分堵塞的入口或風(fēng)扇老化而導(dǎo)致冷卻效率降低，則這種類型的控制將無法知道并因此進(jìn)行補(bǔ)償。這意味著系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須使風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)得比所需的快，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不理想。

將溫度傳感器放置在風(fēng)扇設(shè)計(jì)用于冷卻的位置，形成閉環(huán)系統(tǒng)。增加風(fēng)扇的速度會(huì)導(dǎo)致測(cè)量溫度下降。現(xiàn)在需要注意穩(wěn)定性問題。這種關(guān)注會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的開發(fā)時(shí)間和更高的軟件復(fù)雜性，但可以直接、更嚴(yán)格地控制熱源。現(xiàn)在，可以將風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)到所需的最低速度，以將關(guān)鍵組件保持在預(yù)定溫度以下。此外，對(duì)于入口和出口部分堵塞等問題，將自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。在這兩種情況下，硬件設(shè)計(jì)是相同的。唯一的區(qū)別是溫度傳感器和軟件代碼的位置。

使用轉(zhuǎn)速表進(jìn)行速度控制

上述電路在低端系統(tǒng)中運(yùn)行良好，我們不太關(guān)心可靠性。然而，在我們重視可靠性的系統(tǒng)中，這些電路可能不足。在開環(huán)溫度控制的情況下，系統(tǒng)無法檢測(cè)到任何類型的風(fēng)扇故障。閉環(huán)控制中的高溫可以作為指示，但仍有改進(jìn)的余地。溫度升高表示系統(tǒng)存在問題，但無法區(qū)分入口和出口堵塞、環(huán)境溫度高、內(nèi)部散熱過多或風(fēng)扇故障。此外，由于熱量是問題的主要指示，由于熱響應(yīng)緩慢，可能需要一段時(shí)間才能注意到這些問題。一個(gè)例子是一支鉛筆突然卡在風(fēng)扇里。可能需要幾分鐘時(shí)間，溫度才會(huì)升高到足以標(biāo)記問題。

轉(zhuǎn)速計(jì)輸出（速度傳感器）可以解決這些問題。圖11所示為使用帶轉(zhuǎn)速計(jì)的風(fēng)扇的電路。MAX6625測(cè)量溫度，并通過I2C兼容的2線接口報(bào)告給微控制器。相同的2線接口向MAX6650發(fā)出命令，控制風(fēng)扇的速度。MAX6650具有所有必要的電平轉(zhuǎn)換和硬件，可與風(fēng)扇的集電極開路轉(zhuǎn)速表連接。風(fēng)扇速度可以通過 SMBus 兼容接口讀取為字節(jié)寬的整數(shù)。

圖 11.MAX6650通過轉(zhuǎn)速計(jì)輸出與風(fēng)扇接口，用于監(jiān)測(cè)和控制風(fēng)扇速度。MAX6625可以連接到同一I2C兼容總線，用于監(jiān)控溫度。

MAX6650可用作風(fēng)扇速度控制器或風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)器。區(qū)別是微妙但重要的。風(fēng)扇速度控制器控制風(fēng)扇兩端的電壓，從而間接控制其速度。風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)器實(shí)際上使用其轉(zhuǎn)速表測(cè)量和調(diào)節(jié)風(fēng)扇的速度。當(dāng)MAX6650用作風(fēng)扇速度控制器時(shí)，微控制器通過SMBus兼容接口讀取MAX6625的溫度和MAX6650的風(fēng)扇速度。然后微控制器向MAX6650發(fā)出DAC代碼。這些DAC代碼直接控制風(fēng)扇兩端的電壓，從而間接控制其速度。然后，微控制器必須通過MAX6650不斷讀取風(fēng)扇速度，并對(duì)DAC進(jìn)行調(diào)整，以保持風(fēng)扇速度在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。這在風(fēng)扇的啟動(dòng)和失速速度方面變得尤為重要。

當(dāng)MAX6650配置為風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)器時(shí)，微控制器發(fā)出速度命令。MAX6650自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)整風(fēng)扇速度，使其保持在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。一旦寫入所需的速度，微控制器就不需要進(jìn)一步參與。這大大減少了軟件開銷。如果MAX6650不能保持所需的速度，它可以以中斷微控制器的形式發(fā)出警報(bào)。

與圖9和圖10中的電路類似，圖11和圖12中的電路可以在溫度開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)行。需要注意的是，在溫度閉環(huán)系統(tǒng)中，現(xiàn)在有兩個(gè)閉環(huán)：一個(gè)用于溫度調(diào)節(jié)，另一個(gè)用于風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)。必須格外小心，防止出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。

由于風(fēng)扇控制通常依賴于微控制器，因此它也取決于軟件。軟件可以表現(xiàn)出許多類型的問題，包括無限種類的循環(huán)。在基于 PC 的系統(tǒng)中，病毒甚至可能故意引起問題。此類問題可能需要某種類型的備份以防止損壞。圖 12 顯示了這樣的備份。

圖 12.在圖6501電路中增加MAX11溫度開關(guān)，提供獨(dú)立于軟件工作的故障安全溫度備份。

MAX6501是一款小尺寸、廉價(jià)、數(shù)字輸出溫度傳感器。當(dāng)溫度上升到某個(gè)閾值以上時(shí)，其輸出拉低。MAX6650可配置為監(jiān)視其通用輸入/輸出（GPIO1）引腳，當(dāng)其被拉低時(shí)，器件將自動(dòng)全速打開風(fēng)扇。這將獨(dú)立于通過軟件發(fā)出的命令而發(fā)生。通過將MAX6501戰(zhàn)略性地放置在關(guān)鍵區(qū)域，可以避免問題。值得注意的是，這種類型的備份保護(hù)不僅可以防止軟件問題，還可以防止不太可能的主要溫度傳感器故障和微控制器硬件故障。由于MAX6501具有集電極開路輸出，可將多個(gè)器件連接在一起，安裝在單元內(nèi)的多個(gè)位置。這允許同時(shí)保護(hù)多個(gè)關(guān)鍵位置。

多個(gè)風(fēng)扇作為一個(gè)組進(jìn)行控制

圖 13 是圖 11 的變體。有時(shí)需要將多個(gè)風(fēng)扇作為一個(gè)組進(jìn)行控制。圖13所示為MAX6651將三個(gè)風(fēng)扇作為一個(gè)單元進(jìn)行控制。MAX6651與MAX6650類似，但具有額外的GPIO和轉(zhuǎn)速表監(jiān)測(cè)輸入。由于所有三個(gè)風(fēng)扇并行運(yùn)行，因此無法獨(dú)立調(diào)節(jié)每個(gè)風(fēng)扇的速度。必須選擇一個(gè)風(fēng)扇作為主站，圍繞該風(fēng)扇關(guān)閉任何調(diào)速回路。當(dāng)處于穩(wěn)壓模式時(shí)，MAX6651閉合連接到TACH0的風(fēng)扇周圍的速度環(huán)路。當(dāng)MAX6651用作風(fēng)扇速度控制器時(shí)，微控制器可以閉合任何一個(gè)風(fēng)扇周圍的環(huán)路。雖然MAX6651不直接調(diào)節(jié)其余風(fēng)扇的速度，但如果使用相同的風(fēng)扇，它們將傾向于以相似的速度運(yùn)行。為了確保未穩(wěn)壓風(fēng)扇正常工作，MAX6651允許微控制器通過SMBus兼容接口讀取每個(gè)風(fēng)扇的速度。這樣，如果任何一個(gè)風(fēng)扇超出容差范圍，就可以標(biāo)記用戶。MAX6651可直接連接多達(dá)<>個(gè)風(fēng)扇。

圖 13.MAX6651將三個(gè)風(fēng)扇作為一個(gè)單元控制。

圖14顯示了如何使用模擬多路復(fù)用器監(jiān)視四個(gè)以上的風(fēng)扇。GPIO2、GPIO3 和 GPIO4 配置為輸出。這些位可以通過SMBus兼容接口進(jìn)行切換，以控制哪個(gè)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速表連接到TACH3輸入。

圖 14.此圖顯示了如何使用模擬多路復(fù)用器監(jiān)視四個(gè)以上的風(fēng)扇。

N+1 和熱插拔應(yīng)用

當(dāng)風(fēng)扇出現(xiàn)問題時(shí)，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧Ｓ袝r(shí)只需關(guān)閉系統(tǒng)以防止損壞即可。但是，在需要最大限度地減少停機(jī)時(shí)間的系統(tǒng)中，這不是一個(gè)很有吸引力的選擇。圖 15 顯示了一個(gè)應(yīng)用程序，即使在風(fēng)扇故障期間，系統(tǒng)也能繼續(xù)運(yùn)行。該電路使用一種通常稱為N+1的技術(shù)。N+1 是在最壞情況下使用比實(shí)際需要的多一個(gè)風(fēng)扇的做法。這允許在任何一個(gè)風(fēng)扇發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行足夠的冷卻。此外，所有風(fēng)扇應(yīng)放置在單獨(dú)的卡上，并設(shè)計(jì)為可以熱插拔。這允許在設(shè)備運(yùn)行時(shí)卸下和更換損壞的風(fēng)扇，從而防止任何停機(jī)時(shí)間。

圖 15.當(dāng)用于N+1應(yīng)用時(shí)，MAX6651可以配置為在風(fēng)扇發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)全速運(yùn)行。還顯示了如何配置電路以允許熱插拔。

在大多數(shù)情況下，正在運(yùn)行的風(fēng)扇比實(shí)際需要的要多，因此降低風(fēng)扇速度變得更加重要。但是，如果風(fēng)扇發(fā)生故障，剩余的風(fēng)扇需要以最大速度旋轉(zhuǎn)。此外，需要通知用戶卸下和更換損壞的風(fēng)扇。

在圖15中，MAX6651通過SMBus兼容接口進(jìn)行配置，當(dāng)它們無法保持所需的風(fēng)扇速度時(shí)，在GPIO0上產(chǎn)生邏輯低電平。這些輸出（帶內(nèi)部上拉的漏極開路）連接在一起。因此，三個(gè)風(fēng)扇中的任何一個(gè)無法保持所需的速度（由于故障）都會(huì)導(dǎo)致這條線變低。然后將同一條線連接到所有 GPIO1 引腳。這些引腳配置為輸入，當(dāng)應(yīng)用邏輯低電平時(shí)，這些引腳將全速打開各自的風(fēng)扇。這樣，風(fēng)扇故障會(huì)自動(dòng)導(dǎo)致所有風(fēng)扇全速旋轉(zhuǎn)。另一個(gè)好處是不需要微控制器的參與。

每當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，微控制器都可能需要中斷。如圖所示，通過將 GPIO0 連接到中斷引腳可以輕松實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。通過這樣做，微控制器現(xiàn)在可以通過SMBus兼容接口讀取風(fēng)扇的速度來確定哪個(gè)風(fēng)扇出現(xiàn)故障。有了這些知識(shí)，它就可以標(biāo)記用戶更換適當(dāng)?shù)娘L(fēng)扇。MAX2的GPIO6651可通過SMBus兼容接口（或微控制器上的輸入引腳，如果可用）讀取，以檢測(cè)風(fēng)扇何時(shí)被移除或插入。

同步風(fēng)扇

由于風(fēng)扇之間的拍頻，使用多個(gè)風(fēng)扇的系統(tǒng)可能會(huì)遇到額外的噪音刺激源。與多引擎飛機(jī)所經(jīng)歷的效果類似，兩個(gè)風(fēng)扇以略有不同的速度旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生跳動(dòng)噪音。噪聲的頻率與速度差異有關(guān)。這種影響可能是微妙的，對(duì)于大多數(shù)單位來說通常不是問題。但是，對(duì)于高端系統(tǒng)，我們可能希望盡可能多地消除噪音刺激。顯而易見的解決方案是以完全相同的速度旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇。圖 16 顯示了一個(gè)執(zhí)行此操作的應(yīng)用程序。

圖 16.在該應(yīng)用中，MAX6651配置為使用相同的振蕩器，從而最大限度地減少風(fēng)扇之間的速度變化。這減少了多個(gè)風(fēng)扇系統(tǒng)中的跳動(dòng)噪音。

嘗試讓獨(dú)立風(fēng)扇以相同的速度旋轉(zhuǎn)的主要問題是每個(gè)MAX6651都有自己的時(shí)基（振蕩器頻率）。這些時(shí)基足夠精確，可以單獨(dú)控制風(fēng)扇速度，但不夠精確，無法防止在多風(fēng)扇系統(tǒng)中發(fā)生跳動(dòng)。通過配置所有MAX6651使用相同的振蕩器，可以消除誤差源。為此，MAX6651可以將其GPIO2引腳配置為振蕩器輸入或輸出。將第一個(gè)MAX6651配置為時(shí)鐘輸出，其余配置為時(shí)鐘輸入，它們都將以相同的頻率運(yùn)行。現(xiàn)在，所有部件都以相同的時(shí)鐘運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的速度公差。

結(jié)論

風(fēng)扇速度控制有助于提高可靠性、降低功耗和降低系統(tǒng)噪音。在價(jià)格和性能的權(quán)衡方面，可以選擇許多不同的電路和選項(xiàng)。本文提供了一些有關(guān)與實(shí)現(xiàn)此類控制相關(guān)的各種問題的見解和可能的解決方案。

審核編輯：郭婷