可編程風扇控制器

摘要： 詳細地描述可編程風扇控制器。

關鍵詞： 可編程風扇控制器；MAX6870

如今的系統(tǒng)要在越來越小的封裝內(nèi)實現(xiàn)不斷增加的性能，系統(tǒng)熱耗散成為了一個十分嚴重的問題。為了避免熱關機甚至系統(tǒng)故障，維持適當?shù)臏囟仁株P鍵。因而，許多系統(tǒng)需要外加風扇來保持足夠的空氣流通。

大型電信、網(wǎng)絡系統(tǒng)經(jīng)常使用高性能處理器，從而在一個簡單的機架上實現(xiàn)更多功能。例如，一個曾經(jīng)支持12條ADSL的線卡現(xiàn)在可以支持64條，之前能夠耗散24W(每條ADSL為2W)功率的電路板現(xiàn)在必須耗散128W的功率。用強勁的冷空氣氣流降低相關熱阻，以達到散熱要求。

大多數(shù)電信系統(tǒng)包含很多風扇。為保證在一個風扇出現(xiàn)故障的情況下系統(tǒng)仍能正常工作，系統(tǒng)經(jīng)常放置超過理論所需數(shù)目的風扇(N+1結構)，這樣，一個系統(tǒng)可能會用到6~8個風扇。每個風扇都有自己的電源，使風扇可以很容易地替換而不需要關閉整個系統(tǒng)。一個子機架風扇組(圖1)可能包括多個風扇模塊(譬如6個)，它們由-48V電池總線供電，且由一個風扇控制模塊統(tǒng)一控制。

基本的風扇模塊(圖2)包含一個隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器，根據(jù)風扇類型它可以將-48V電池電壓轉(zhuǎn)換成+12V或+24V。在轉(zhuǎn)換器之前使用一個熱插拔控制器，允許在系統(tǒng)不掉電的情況下更換風扇。同時每個風扇為控制模塊提供一個與轉(zhuǎn)速成比例的數(shù)字輸出(PWM或PFM)。

這種類型的風扇系統(tǒng)可以有很寬的芯片選擇范圍。各種各樣的熱插拔控制器可以滿足不同性能級別的需求。譬如，Maxim的MAX5901只提供一個簡單的解決方案，而MAX5920則可以提供更高的精度，這兩種控制器都可以直接由-48V驅(qū)動。隔離電源可以選擇MAX5021;內(nèi)置功率MOSFET的高集成度轉(zhuǎn)換器可以選擇MAX5043，它只需要一個變壓器、一個電容、一個輸出二極管和幾個電阻就可以提供50W的輸出功率，而且不需要散熱片。

風扇控制單元可以集成到系統(tǒng)內(nèi)部，這種控制方式需要給多個風扇模塊提供一個接口，同時還必須能夠檢測每個風扇模塊是否工作正常。當一個風扇出現(xiàn)故障時，它必須能夠通知主控制單元。另外，我們還希望它能夠診斷并定位究竟是哪個風扇出現(xiàn)了故障。這種控制器可以通過很多方式實現(xiàn)上述功能。例如，通過計時器和分離器件組成的陣列來實現(xiàn)。但隨著風扇數(shù)量的增加，分離器件的數(shù)量也增加，增大設計難度。另外一種方法利用微處理器的I/O口，可以減少分離器件數(shù)目，但需要適當編程。

第三種而且也是相對簡單的替代方法是使用高集成度、EEPROM可配置、內(nèi)置ADC的16位可編程電源排序器/監(jiān)控器(MAX6870)。它包括6路可配置的輸入電壓檢測器、4個通用輸入、2個看門狗、8個可編程輸出以及4Kb用戶EEPROM。可以通過I2C兼容串行接口進行讀寫和編程。除了檢測電壓、看門狗信號、外部溫度以及其他邏輯輸入信號外，該器件還能實現(xiàn)諸如風扇控制的功能，最多可同時檢測10個風扇。

為了便于闡述，我們先介紹一個風扇的控制系統(tǒng)，然后擴展到6風扇系統(tǒng)。我們定義報警信號用于判決被檢測風扇是否轉(zhuǎn)動。目前大多數(shù)風扇都可以提供一個集電極開路輸出信號(Voc)，它通過一個電阻上拉到外部電壓(Vs)(本例從4V上拉到30V)。風扇每轉(zhuǎn)一圈，該Voc輸出幾個(M)幅度在0V到Vs間的脈沖(圖3)。

如果風扇以每秒N轉(zhuǎn)的速度轉(zhuǎn)動， 則Voc每秒產(chǎn)生N x M個脈沖。輸出是一組頻率為N x M赫茲的方波。如果將該輸出接至MAX6870的一個可編程輸入端，當風扇停止轉(zhuǎn)動時MAX6870的其中一個輸出端Pox將提供指示。

如果Vs = 5V，輸出脈沖的范圍就是0V到5V。根據(jù)風扇停止時的電壓(Vs或0V)，設定輸入欠壓或過壓門限為2.5V，譬如當輸入電壓高于(低于)2.5V時監(jiān)控器輸出為“真”。該配置下，當風扇開啟時，PO1~8輸出不被觸發(fā)，輸出端產(chǎn)生5V到0V的連續(xù)脈沖。如果風扇停止轉(zhuǎn)動，則觸發(fā)輸出，電壓將保持高電平或低電平，具體取決于風扇的工作極性設置。

這個方案重要的一點是選擇一個尖峰濾波器為每個PO1~8輸出提供合適的時間常數(shù)。該濾波器一定要能容忍由于風扇電源抖動造成的頻率脈沖突變。對于MAX6870而言，所需的時間常數(shù)在25ms到1600ms之間。例如，當M=2，N=54rps時， Voc的脈沖頻率為108赫茲，周期為9.26ms。如果需要嚴格控制風扇，選擇POx抗尖峰時間常數(shù)為25ms，大約是1.35轉(zhuǎn)?？紤]到風扇電源的波動(以及任何熱效應的影響)，如果風扇停止轉(zhuǎn)動約2秒鐘，則認為風扇已經(jīng)出現(xiàn)故障。在這個例子中，1.6秒的暫停時間比較合適。這意味著PO1~8報警會在風扇出現(xiàn)故障后變高(或低，取決于編程設置)25ms或1.6s。

上述例子說明了一個風扇的控制。對于6風扇系統(tǒng)，仍可使用MAX6870，并擴展到6個輸入和6個輸出。假設每個風扇模塊都有獨立的轉(zhuǎn)速輸出，我們可以使用上述架構用一個控制器分別控制每路風扇。輸出可以定義為開漏和線或方式，提供一路報警信號(圖4)。如果需要將信號極性反相或在觸發(fā)報警前插入額外延時，可以將上述信號連至一個GPIx和多個POx，并且增大時間常數(shù)。

器件配置通常是一件十分耗時的工作，而MAX6870不需要軟件工程師為微處理器或其他器件編程。Maxim提供圖形界面的評估板，大大簡化了配置過程(圖5)。

通過簡單地指向界面中的某一個模塊并輸入適當?shù)臄?shù)值(如輸入信號、時間)，工程師可以十分容易地配置MAX6870。經(jīng)過適當配置后，可以對芯片裝載設置。MAX6870是第一款為復雜系統(tǒng)設計的多輸入控制器。由于精度高、易于編程等特點，大大簡化了系統(tǒng)設計。

參考文獻：
1. MAX6870電源排序器/監(jiān)控器，Maxim公司
2. MAX5920熱插拔控制器，Maxim公司
3. MAX5043隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器，Maxim公司