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如何利用可配置芯片实现PWM风扇驱动?

时间:2022-05-05 13:59:21 作者:GABRIELE MANTOVANI 阅读:
本文介绍如何利用可配置芯片,来实现专门针对没有温度比例速度控制的低成本2线冷却风扇的智能脉宽调制(PWM)风扇驱动器。由于配有大电流功能的集成驱动器,该设计非常灵活,可以适应多类风扇。设计还允许工程师轻松配置参数,包括PWM频率、最低速度和最低温度。
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如今,冷却风扇被广泛使用,并且在电子设备中极为重要,尤其对于那些不间断运行的设备,包括电源、服务器、计算机和电信设备。

低成本冷却系统通常采用不间断全速运行的2线风扇。2线风扇没有通常只有更昂贵的3线风扇才有可能具备的温度比例速度控制,且无法检测到风扇锁定,从而缩短了风扇寿命,并可能对正在冷却的系统造成致命损坏。

本文描述了如何配置电源管理IC-SLG47105,以实现12伏双线风扇的智能脉宽调制(PWM)风扇驱动器,该驱动器具有温度比例速度控制和锁定检测功能。是一种外部组件最少的低成本的解决方案。

冷却风扇通常使用无刷直流电机,电机带有基于霍尔传感器的简单内部换向电路,由直流电压供电。风扇的速度与直流电压成正比,可以通过PWM技术进行控制。

下面从这种设计方法的基本建构和工作原理开始,简要介绍工程师如何在产品中实现PWM风扇驱动器。

模块工作原理

设计有4个输入和1个输出:

PIN2-模拟输入,控制风扇速度

PIN3-控制模式选择输入

PIN14-PWM输入,直接控制输出驱动器

PIN17-风扇关闭输入,以禁用风扇

PIN16-故障输出,低电平有效

图1:基本的典型应用电路。本文资料来源:瑞萨电子

图1所示的应用电路中,输入模式连接到GND,此时电路工作在“模拟模式”,风扇转速与PIN2上的电压成正比。该设计还允许工程师利用PIN14上的PWM信号直接控制输出驱动器。在这种情况下,输入模式端必须连接到VDD,进入“数字模式”。

PIN19和PIN20用于检测温度阈值,在“模拟模式”中须连接到PIN2,而在“数字模式”中须连接到VDD。

上表所示为风扇参数。

图2:原型所示为外部元器件最少的低成本解决方案。

HVPAK设计剖析

本电路设计在GreenPAK Designer软件中创建,该软件是Go Configure软件中心的一部分,可免费使用,工程师无需任何编程语言知识即可创建电路设计。点击这里可提供了完整设计文件。

图3:突出显示HVPAK设计构建块。

风扇速度控制(电压比例)

风扇速度控制允许工程师使用电压来控制风扇速度。驱动风扇的PWM的占空比(dc)与输入电压成正比(介于0V和3V之间)。

图4:驱动风扇的PWM的占空比与输入电压成正比。

带有积分器和比较器宏单元的差分放大器,对高压输出端上的电压进行放大,然后提取平均值,并将其与参考电压(PIN2上的电压VIN)进行比较,宏单元根据比较结果,激活“equal”或“upword”输出。

PWM宏单元使用“equal”和“upword”信号来递增或递减占空比计数器,该计数器存储一个8位值,表示生成的PWM波形的占空比。这样,该模块实现了一个调整占空比的循环,以简化以下表达式:

Vmean=4×VIN

这里,Vmean是风扇上的平均电压,常数4是差分放大器的增益。

因此,输出占空比取决于输入电压,公式如下:

dc=(4×VIN/VDD2_A)×100%

在此示例中,VDD2_A为12V,得到100%的占空比,且VIN=3V。

图5所示为输出PWM波形(CH1通道所示)和输入电压(CH2通道所示),其中VIN≈1.5V,dc≈50%。

图5:输出占空比取决于输入电压。

锁定检测和自动重启

该模块可以检测风扇是否停止,无论是因为它被迫停止还是因为它与驱动器的连接断开。当检测到锁定时,输出驱动器被禁用。在第一种情况下,还需要保护风扇免受致命损坏。在这两种情况下,该模块用于激活故障输出,以便系统能够保护自身免受过热影响。

此外,当检测到锁定时,该模块会尝试在编程预设的延迟时间后自动重新启动风扇。

该模块基于通过与驱动器串联的电阻器获得的电流测量。电阻器在传感器输入端提供与电机电流成比例的电压信号。为了解如何检测风扇锁定,需要了解直流无刷风扇的电路。

图6:无刷直流风扇使用简单的开关电路。

无刷直流风扇使用如图6所示的简单开关电路。霍尔传感器根据转子位置打开两个晶体管中的一个,以激活正确的线圈并确保旋转。这些换向会导致风扇电流的短暂和周期性中断。另一方面,如果风扇被锁定,则没有换向,也没有电流中断。

比较器CCMP0用于在每次电流中断时提供一个脉冲。脉冲的下降沿不断触发CNT1/DLY1宏单元(配置为延迟模式),只要脉冲不断到来,它将保持其输出为低电平。如果大约50ms内没有脉冲,输出将变为高电平,触发CNT3/DLY3(配置为单次模式)提供一个负脉冲,该脉冲持续时间为5秒,在此期间,输出驱动器被禁用。故障输出激活为低电平,由CNT3/DLY3输出驱动。

5秒钟后,输出驱动器再次启用。如果风扇仍处于锁定状态,设备将再次进入故障状态。而3输入OR用于禁用锁定检测逻辑。

定时器启动

由于风扇因惯性而无法立即开始旋转,锁定检测逻辑可能会检测到误故障,并过早禁用输出驱动器。该模块用于在电机启动期间旁路锁定检测逻辑,以避免出现这种不期望的情况。

图7:启动定时器模块用于在电机启动期间旁路锁定检测逻辑。

该模块使用CNT2/DLY2在下降沿一次性激活的模式。下降沿由POR或“SHDN”信号产生。在第一种情况下,上升沿检测器产生由POR触发的短脉冲,因此在通电时产生启动信号。相反,“SHDN”信号的下降沿对应于风扇重新启动的所有情况。

当检测到下降沿时,“STARTUP”输出变为约125ms宽的高电平,无论来自CCMP0的信号是什么,都会在CNT1/DLY1的输入端强制为逻辑1(参见图7)。这允许工程师禁用由下降沿触发的锁定检测链;“STARTUP”信号可能只是产生一个上升沿,但它不会产生任何影响。

最低速度和停止阈值

该设计允许工程师设置最低风扇速度和最低温度(低于该温度时风扇将被禁用)。

图8:此模块设置最低风扇速度和最低温度,低于该最低温度风扇将被禁用。

为此,使用了两个电压比较器。比较器的输入连接到VIN电压,该电压控制风扇的速度并与检测到的温度成正比。

由于速度与输入电压成正比,因此可以通过在比较器上设置电压阈值来设置最小风扇速度。当输入电压低于阈值时,比较器的输出(MIN SPEED)变为低电平,并通过2位LUT强制高电平以“保持”PWM宏单元的输入。这样,只要输入电压低于阈值,输出占空比就不能进一步降低,从而设置最小风扇速度。

类似的概念适用于其他比较器。在这种情况下,电压阈值必须与温度传感器的最低温度相对应。当输入电压低于阈值时,比较器的输出(FAN STOP)变为低电平并禁用输出驱动器,从而停止风扇。这两个比较器中,都使用了32mV的迟滞。

本文为精简版,欲详读本文完整版,请扫描二维码进入网站阅读,也可以免费下载PDF版本。 

(参考原文:How to implement PWM fan driver using configurable chips )

本文为《电子工程专辑》2022年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订

责编:Jimmy.zhang
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