EDN China > 设计实例 > 消费电子设计 > 个人电脑及外围设备 > 正文
? 2016博客大赛-不限主题,寻找电子导师,大奖升级??

(多图)电信应用中的风扇控制片上系统

Sanjeev Kumar?? Cypress?? 2015年04月03日 ?? 收藏1
我们已经进入需要高性能和电路小型化的电子产品革命时代。电子系统性能的提高和尺寸的缩小已经导致功耗与散热的增加。因此,从个人电脑到高端服务器的不同解决方案频频出现热管理问题。系统冷却/热管理已成为所有高性能电子系统的关键任务。通常采用强制对流方式来实现热管理。强制对流方式通过转移热源内部及周围的空气来提高散热。采用无刷直流(BLDC)风扇能够轻松实现上述目的。此类风扇的转速取决于其RMS电压。

通过全速运行风扇可以实现热管理,但是风扇的高转速会导致以下问题:

● 提高可闻噪声

● 增加功耗

● 缩短使用寿命(机械磨损)

● 增加堵塞(集尘)

然而,风扇低于所需转速运行时又会导致冷却不足,从而造成组件过热。过热会造成组件故障。为了解决此类问题,必须根据环境条件(即:温度)控制风扇转速。

风扇转速可采用以下方式控制:

1. 直接PWM →通过提高或降低用于控制转速的脉宽(即:改变占空比)可以实现脉宽调制(PWM)。

2. 线性调节→线性调节器可以控制风扇的直流电压,进而控制风扇转速。

3. DC-DC调节→此方式与线性调节大同小异,其区别是采用开关调节器替代线性调节器。

直接PWM方法因其具有低功耗、低成本、易于设计等优势,较为常用。热管理所用BLDC风扇大部分为4线,而部分老式设计为3线和2线。

4 线风扇

此类BLDC风扇的四根线分别用于供电、接地、转速表输出和PWM输入。典型4线无刷直流风扇如图1所示。

图1:典型4线直流风扇
图1:典型4线直流风扇

4线直流风扇包含霍尔效应传感器,其可以感测转子转动时产生的旋转磁场。霍尔效应传感器的输出为脉冲串,其周期与风扇转速成反比。每转产生的脉冲数量取决于风扇极数。就最常见的4极无刷直流风扇而言,霍尔效应传感器的转速表输出在每转会产生2个脉冲。如果风扇由于机械或其他故障而停止转动,则转速表输出信号稳定到某个逻辑低电平或高电平。此类风扇转速单位为每分钟转数(RPM)。此类风扇的转速表输出如图2所示。

图2:风扇转速表输出
图2:风扇转速表输出

风扇采用标准尺寸,一般为40毫米、80毫米和120毫米。为冷却应用挑选风扇时,最重要的考虑指标是风扇的排风量。排风量一般用每分钟立方英尺(CFM)或每分钟立方米(m3/分钟)来衡量。风扇叶片的尺寸、形状和桨距都会影响风扇的排风量。小风扇在给定时间内排除相同空气需要以比大风扇更高的转速运行。

空间受限以及由于物理尺寸限制而需要更小风扇的应用所产生的噪声会明显增强。

为了控制产生噪声,可以配置风扇控制器以尽可能低的转速驱动风扇,同时将工作温度保持在安全限制范围内。与始终全速运行风扇的系统相比,这种方法还可以延长风扇的使用寿命。

风扇制造商在其数据表中指定占空比与RPM关系,其容差高达±20%。为了确保风扇以预期转速运行,系统设计人员需要以比额定值高20%的转速运行风扇,以确保制造商供应的所有风扇都能够提供足够的冷却。这样可能导致噪声过高和功耗增加。

风扇制造商会规定PWM占空比与额定风扇转速的关系,并通过数据点表格或关系图显示。图3举例说明此类信息,其中横轴显示PWM控制占空比(%),而纵轴显示RPM风扇转速。

图3:占空比与速度关系图
图3:占空比与速度关系图

值得注意的是,在PWM引脚的低占空比状态下,所有风扇的表现并不一致。某些风扇在PWM引脚占空比接近0%时会停止旋转,而有些风扇此时仍继续转动。这两种情况下,占空比与RPM关系可能是非线性关系,也可能是并未指定。同样,两台相同风扇在相同占空比情况下转速可能不同。在利用占空比与RPM信息时,应当使用线性区中明确限定风扇行为的两个数据点。从图4可以看出,PWM占空比为0情况下转速并非0。图4另外说明,对于给定的PWM占空比,相同风扇具有不同转速。

图4:相同风扇转速与占空比对比
图4:相同风扇转速与占空比对比

风扇电缆与连接器

在布线层面,制造商的电线色码并不一致,但是会采用标准的连接器引脚分配。图5显示连接器底视图。请注意:连接器带有键控,以防错误插入风扇控制器板。一般4线风扇是配备永磁转子和电磁定子的BLDC电机,而BLDC电机的整流由风扇本身的专用集成电路(ASIC)执行。图6显示了4线风扇的拆卸组件,其中可以看到定子、转子与电机控制ASIC。

图5:4线直流风扇连接器引脚分配
图5:4线直流风扇连接器引脚分配

图6:4线风扇拆卸
图6:4线风扇拆卸

3 线与2 线风扇

3线风扇端子包括:

1. 直流输入电源(12V、24V或48V);

2. 接地;

3. 转速表输出。

由于PWM引脚不可用,因此风扇转速必须通过直流输入电源的PWM调制进行控制,PWM调制可以通过控制风扇的电流来改变风扇转速。转速表电路直接通过直流电源输入供电。该直流电源输入还可为电机绕组供电;因此,只有在电机通电情况下才会启动转速表电路。从而,只有在PWM占空比处于“开启”状态并且风扇已经通电情况下才能够获得正确的转速表读数。3线风扇与4线风扇具有不同的PWM引脚可用性和PWM ON周期转速表测量值。2线风扇端子包括:

1. 直流输入电源(12V、24V或48V);

2. 接地。

这里必须通过调节风扇的直流电源来调节转速,而此类风扇没有转速表反馈信息。

3线和2线风扇已过时,而设计人员现在一直采用4线风扇。另外,所选用的键控方案使4线风扇无需修改就能够连接到旨在支持3线风扇(无PWM转速控制信号)的控制板。本文重点介绍4线风扇及其控制方法。

【分页导航】

《电子技术设计》网站版权所有,谢绝转载


上一页123下一页
?? ?? ??


打开微信“扫一扫”,打开网页后点击屏幕右上角分享按钮

1.扫描左侧二维码
2.点击右上角的分享按钮
3.选择分享给朋友
?? ??

风扇控制? 片上系统? 可编程? 热管理?

相关文章

我来评论
美国的游客
美国的游客 ??? (您将以游客身份发表,请登录 | 注册)
?
有问题请反馈