電信應(yīng)用中的風(fēng)扇控制片上系統(tǒng)

我們已經(jīng)進(jìn)入需要高性能和電路小型化的電子產(chǎn)品革命時(shí)代。電子系統(tǒng)性能的提高和尺寸的縮小已經(jīng)導(dǎo)致功耗與散熱的增加。因此，從個(gè)人電腦到高端服務(wù)器的不同解決方案頻頻出現(xiàn)熱管理問題。系統(tǒng)冷卻/熱管理已成為所有高性能電子系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)。通常采用強(qiáng)制對(duì)流方式來實(shí)現(xiàn)熱管理。強(qiáng)制對(duì)流方式通過轉(zhuǎn)移熱源內(nèi)部及周圍的空氣來提高散熱。采用無刷直流(BLDC)風(fēng)扇能夠輕松實(shí)現(xiàn)上述目的。此類風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速取決于其RMS電壓。

通過全速運(yùn)行風(fēng)扇可以實(shí)現(xiàn)熱管理，但是風(fēng)扇的高轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致以下問題：

● 提高可聞噪聲

● 增加功耗

● 縮短使用壽命(機(jī)械磨損)

● 增加堵塞(集塵)

然而，風(fēng)扇低于所需轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)又會(huì)導(dǎo)致冷卻不足，從而造成組件過熱。過熱會(huì)造成組件故障。為了解決此類問題，必須根據(jù)環(huán)境條件(即：溫度)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可采用以下方式控制：

1. 直接PWM →通過提高或降低用于控制轉(zhuǎn)速的脈寬(即：改變占空比)可以實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)。

2. 線性調(diào)節(jié)→線性調(diào)節(jié)器可以控制風(fēng)扇的直流電壓，進(jìn)而控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

3. DC-DC調(diào)節(jié)→此方式與線性調(diào)節(jié)大同小異，其區(qū)別是采用開關(guān)調(diào)節(jié)器替代線性調(diào)節(jié)器。

直接PWM方法因其具有低功耗、低成本、易于設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，較為常用。熱管理所用BLDC風(fēng)扇大部分為4線，而部分老式設(shè)計(jì)為3線和2線。

4 線風(fēng)扇

此類BLDC風(fēng)扇的四根線分別用于供電、接地、轉(zhuǎn)速表輸出和PWM輸入。典型4線無刷直流風(fēng)扇如圖1所示。

圖1：典型4線直流風(fēng)扇

4線直流風(fēng)扇包含霍爾效應(yīng)傳感器，其可以感測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)?；魻栃?yīng)傳感器的輸出為脈沖串，其周期與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速成反比。每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)量取決于風(fēng)扇極數(shù)。就最常見的4極無刷直流風(fēng)扇而言，霍爾效應(yīng)傳感器的轉(zhuǎn)速表輸出在每轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生2個(gè)脈沖。如果風(fēng)扇由于機(jī)械或其他故障而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，則轉(zhuǎn)速表輸出信號(hào)穩(wěn)定到某個(gè)邏輯低電平或高電平。此類風(fēng)扇轉(zhuǎn)速單位為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)。此類風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速表輸出如圖2所示。

圖2：風(fēng)扇轉(zhuǎn)速表輸出

風(fēng)扇采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，一般為40毫米、80毫米和120毫米。為冷卻應(yīng)用挑選風(fēng)扇時(shí)，最重要的考慮指標(biāo)是風(fēng)扇的排風(fēng)量。排風(fēng)量一般用每分鐘立方英尺(CFM)或每分鐘立方米(m3/分鐘)來衡量。風(fēng)扇葉片的尺寸、形狀和槳距都會(huì)影響風(fēng)扇的排風(fēng)量。小風(fēng)扇在給定時(shí)間內(nèi)排除相同空氣需要以比大風(fēng)扇更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

空間受限以及由于物理尺寸限制而需要更小風(fēng)扇的應(yīng)用所產(chǎn)生的噪聲會(huì)明顯增強(qiáng)。

為了控制產(chǎn)生噪聲，可以配置風(fēng)扇控制器以盡可能低的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，同時(shí)將工作溫度保持在安全限制范圍內(nèi)。與始終全速運(yùn)行風(fēng)扇的系統(tǒng)相比，這種方法還可以延長(zhǎng)風(fēng)扇的使用壽命。

風(fēng)扇制造商在其數(shù)據(jù)表中指定占空比與RPM關(guān)系，其容差高達(dá)±20%。為了確保風(fēng)扇以預(yù)期轉(zhuǎn)速運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要以比額定值高20%的轉(zhuǎn)速運(yùn)行風(fēng)扇，以確保制造商供應(yīng)的所有風(fēng)扇都能夠提供足夠的冷卻。這樣可能導(dǎo)致噪聲過高和功耗增加。

風(fēng)扇制造商會(huì)規(guī)定PWM占空比與額定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并通過數(shù)據(jù)點(diǎn)表格或關(guān)系圖顯示。圖3舉例說明此類信息，其中橫軸顯示PWM控制占空比(%)，而縱軸顯示RPM風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

圖3：占空比與速度關(guān)系圖

值得注意的是，在PWM引腳的低占空比狀態(tài)下，所有風(fēng)扇的表現(xiàn)并不一致。某些風(fēng)扇在PWM引腳占空比接近0%時(shí)會(huì)停止旋轉(zhuǎn)，而有些風(fēng)扇此時(shí)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這兩種情況下，占空比與RPM關(guān)系可能是非線性關(guān)系，也可能是并未指定。同樣，兩臺(tái)相同風(fēng)扇在相同占空比情況下轉(zhuǎn)速可能不同。在利用占空比與RPM信息時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用線性區(qū)中明確限定風(fēng)扇行為的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。從圖4可以看出，PWM占空比為0情況下轉(zhuǎn)速并非0。圖4另外說明，對(duì)于給定的PWM占空比，相同風(fēng)扇具有不同轉(zhuǎn)速。

圖4：相同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與占空比對(duì)比

風(fēng)扇電纜與連接器

在布線層面，制造商的電線色碼并不一致，但是會(huì)采用標(biāo)準(zhǔn)的連接器引腳分配。圖5顯示連接器底視圖。請(qǐng)注意：連接器帶有鍵控，以防錯(cuò)誤插入風(fēng)扇控制器板。一般4線風(fēng)扇是配備永磁轉(zhuǎn)子和電磁定子的BLDC電機(jī)，而BLDC電機(jī)的整流由風(fēng)扇本身的專用集成電路(ASIC)執(zhí)行。圖6顯示了4線風(fēng)扇的拆卸組件，其中可以看到定子、轉(zhuǎn)子與電機(jī)控制ASIC。

圖5：4線直流風(fēng)扇連接器引腳分配

圖6：4線風(fēng)扇拆卸

3 線與2 線風(fēng)扇

3線風(fēng)扇端子包括：

1. 直流輸入電源(12V、24V或48V);

2. 接地;

3. 轉(zhuǎn)速表輸出。

由于PWM引腳不可用，因此風(fēng)扇轉(zhuǎn)速必須通過直流輸入電源的PWM調(diào)制進(jìn)行控制，PWM調(diào)制可以通過控制風(fēng)扇的電流來改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速表電路直接通過直流電源輸入供電。該直流電源輸入還可為電機(jī)繞組供電;因此，只有在電機(jī)通電情況下才會(huì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速表電路。從而，只有在PWM占空比處于“開啟”狀態(tài)并且風(fēng)扇已經(jīng)通電情況下才能夠獲得正確的轉(zhuǎn)速表讀數(shù)。3線風(fēng)扇與4線風(fēng)扇具有不同的PWM引腳可用性和PWM ON周期轉(zhuǎn)速表測(cè)量值。2線風(fēng)扇端子包括：

1. 直流輸入電源(12V、24V或48V);

2. 接地。

這里必須通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇的直流電源來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，而此類風(fēng)扇沒有轉(zhuǎn)速表反饋信息。

3線和2線風(fēng)扇已過時(shí)，而設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在一直采用4線風(fēng)扇。另外，所選用的鍵控方案使4線風(fēng)扇無需修改就能夠連接到旨在支持3線風(fēng)扇(無PWM轉(zhuǎn)速控制信號(hào))的控制板。本文重點(diǎn)介紹4線風(fēng)扇及其控制方法。

4 線風(fēng)扇控制器

簡(jiǎn)而言之，風(fēng)扇控制器可以定義為能夠根據(jù)PWM占空比變化讀取并控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的器件。圖7顯示簡(jiǎn)單風(fēng)扇控制器的方框圖。

圖7：風(fēng)扇控制器方框圖

風(fēng)扇控制器的基本模塊包括PWM、磁滯比較器和轉(zhuǎn)速控制固件?；灸K詳細(xì)說明如下。

在必須采用單個(gè)風(fēng)扇控制器控制多臺(tái)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)中采用多路復(fù)用器將來自風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速表信號(hào)多路傳輸?shù)酱艤容^器/干擾濾波器模塊。多路復(fù)用器一次會(huì)將一臺(tái)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速表信號(hào)連接到磁滯比較器/干擾濾波器模塊。某些風(fēng)扇中的轉(zhuǎn)速表信號(hào)可能存在干擾，因此可能需要磁滯比較器/干擾濾波器來去除干擾。

定時(shí)器用于測(cè)量濾波后轉(zhuǎn)速表信號(hào)的頻率，可以根據(jù)等式1計(jì)算出RPM值。計(jì)算出風(fēng)扇1的RPM值后，通過多路復(fù)用器連接風(fēng)扇2進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量，然后繼續(xù)此過程。通常定時(shí)器測(cè)量一個(gè)周期的時(shí)間。

圖8：頻率計(jì)數(shù)器

定時(shí)器按時(shí)鐘頻率fclock持續(xù)增加，并且由輸入信號(hào)finput(即：轉(zhuǎn)速表信號(hào)的頻率)鎖存。雙鎖存器能夠從新的計(jì)數(shù)值減去奇數(shù)計(jì)數(shù)值，從而獲得各個(gè)采樣周期的新累加值。式2說明如何計(jì)算測(cè)得的頻率。

fclock 的選擇方式可以確保定時(shí)器針對(duì)必須從風(fēng)扇測(cè)量的最低頻率/種子值不會(huì)溢出?？ㄋ里L(fēng)扇(Stuck Fan)會(huì)造成高電平或低電平狀態(tài)，從而導(dǎo)致定時(shí)器溢出。通常溢出視為風(fēng)扇卡死的信號(hào)。不同風(fēng)扇控制器采用具有不同分辨率的PWM來控制風(fēng)扇。高分辨率可以提供更精細(xì)的轉(zhuǎn)速控制。PWM分辨率可以根據(jù)系統(tǒng)需要的轉(zhuǎn)速控制分辨率進(jìn)行選擇?？梢愿鶕?jù)控制風(fēng)扇所需要的占空比步階精度確定PWM分辨率。

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制

由于需要控制的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速容差較大，在采用直接PWM方法的情況下可以通過開環(huán)和閉環(huán)保持風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速。

在開環(huán)轉(zhuǎn)速控制中，風(fēng)扇控制器可調(diào)節(jié)PWM占空比，并可根據(jù)主機(jī)的指令將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信息發(fā)送到主機(jī)/主控制器。此時(shí)，主機(jī)獲得預(yù)期轉(zhuǎn)速與占空比信息，并將從風(fēng)扇控制器讀取實(shí)際轉(zhuǎn)速，然后命令風(fēng)扇控制器調(diào)節(jié)占空比轉(zhuǎn)速信息，以達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)速。圖9所示流程圖以及圖10所示方框圖代表開環(huán)轉(zhuǎn)速控制方法。

圖9：開環(huán)轉(zhuǎn)速控制

圖10：執(zhí)行開環(huán)轉(zhuǎn)速控制的風(fēng)扇控制器

在閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制中，風(fēng)扇控制器通過測(cè)量實(shí)際轉(zhuǎn)速和相應(yīng)調(diào)節(jié)占空比來確保風(fēng)扇以預(yù)期轉(zhuǎn)速運(yùn)行。此時(shí)主機(jī)會(huì)指定風(fēng)扇控制器的預(yù)期轉(zhuǎn)速和容差。閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制中的部分參數(shù)包括：

1. 預(yù)期轉(zhuǎn)速——主機(jī)希望風(fēng)扇運(yùn)行的轉(zhuǎn)速。

2. 實(shí)際轉(zhuǎn)速——例如，風(fēng)扇的數(shù)據(jù)表說明其在占空比1時(shí)以RPM1運(yùn)行，但是由于容差較大，風(fēng)扇實(shí)際會(huì)以RPM1 ±△運(yùn)行。RPM1 ±△為風(fēng)扇的實(shí)際轉(zhuǎn)速，RPM1為風(fēng)扇的預(yù)期轉(zhuǎn)速。實(shí)際上，由于風(fēng)扇的磨損和老化，△值會(huì)顯著提高。

3. 容差——此參數(shù)規(guī)定設(shè)置預(yù)期風(fēng)扇轉(zhuǎn)速目標(biāo)時(shí)的可接受容差。容差設(shè)定為預(yù)期轉(zhuǎn)速設(shè)置值的百分比。閉環(huán)控制的容差定義如下。

4. 比例、積分、微分(PID)參數(shù)——PID參數(shù)可以影響風(fēng)扇響應(yīng)轉(zhuǎn)速變更請(qǐng)求的方式?？梢葬槍?duì)上升時(shí)間、峰值超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性分析相關(guān)輸出響應(yīng)。PID常數(shù)的正確調(diào)節(jié)能夠提供適合某項(xiàng)應(yīng)用的最佳組合。圖11顯示的是PID閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制。

圖11：閉環(huán)風(fēng)扇PID轉(zhuǎn)速控制

每個(gè)PID參數(shù)(比例、積分與微分)都會(huì)以特定方式影響輸出響應(yīng)。

■ 比例參數(shù)有助于實(shí)現(xiàn)更快速的響應(yīng)，但是異常高的值會(huì)導(dǎo)致超調(diào)量過大和不穩(wěn)定。

■ 積分參數(shù)與比例參數(shù)類似，但它的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可使穩(wěn)態(tài)誤差為零。不過，高積分參數(shù)會(huì)導(dǎo)致超調(diào)量過大。

■ 微分參數(shù)有助于降低超調(diào)量與建立時(shí)間。它通常為最小化，因?yàn)樗鼤?huì)放大誤差信號(hào)的噪聲，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定性。

需要在快速響應(yīng)和穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡。在風(fēng)扇控制器應(yīng)用中，保持穩(wěn)定的風(fēng)扇響應(yīng)通常比獲得快速響應(yīng)時(shí)間更有利，因?yàn)橄到y(tǒng)溫度并不會(huì)迅速改變。

圖12表明，缺乏積分控制以及比例參數(shù)值較低會(huì)導(dǎo)致巨大誤差。

圖12：PID調(diào)節(jié)，P = 30, I = 0, D=0

在引入積分控制后誤差降低到0，但仍然存在超調(diào)量過大的問題，如圖13所示。

圖13：PID調(diào)節(jié)，P = 30, I = 30, D = 0

降低積分參數(shù)可以降低峰值超調(diào)量，如圖14.所示。

圖14 PID調(diào)節(jié)，P = 30, I = 20, D = 0

如圖15所示，隨著積分參數(shù)的進(jìn)一步降低，峰值超調(diào)量變?yōu)?，但穩(wěn)定時(shí)間也隨之增加。

圖15：PID調(diào)節(jié)，P = 30, I = 5, D = 0

比例參數(shù)的降低會(huì)減緩轉(zhuǎn)速響應(yīng)，如圖16所示。

圖16：PID調(diào)節(jié)，P = 15, I = 5, D = 0

積分參數(shù)的降低會(huì)增加建立時(shí)間，如圖17所示。

圖17：PID調(diào)節(jié)，P = 15, I = 2, D = 0

PID轉(zhuǎn)速控制可以在固件或硬件邏輯中實(shí)現(xiàn)，圖18與圖19分別顯示了硬件與固件中的閉環(huán)實(shí)現(xiàn)。在閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制中，占空比與RPM信息以查詢表或傳遞函數(shù)的方式保存在風(fēng)扇控制器。在閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制的硬件實(shí)現(xiàn)中，轉(zhuǎn)速控制將在硬件中執(zhí)行，從而能夠釋放CPU用于執(zhí)行其它任務(wù)。在需要將CPU用于除風(fēng)扇控制之外的其它進(jìn)程的設(shè)計(jì)中會(huì)采用這種實(shí)現(xiàn)方式。

圖18：硬件中的閉環(huán)實(shí)現(xiàn)

在閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制的固件實(shí)現(xiàn)中，轉(zhuǎn)速控制是在固件中執(zhí)行，而且需要占用大量CPU。在風(fēng)扇控制是微控制器執(zhí)行的主要進(jìn)程或唯一進(jìn)程的設(shè)計(jì)中會(huì)采用這種實(shí)現(xiàn)方式。

圖19：固件中的閉環(huán)實(shí)現(xiàn)

風(fēng)扇控制器還涉及幾個(gè)其它參數(shù)，如下所示。

風(fēng)扇組

在風(fēng)扇組中，多個(gè)風(fēng)扇共享相同的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào);不過，所有的單獨(dú)轉(zhuǎn)速表反饋信號(hào)都連接到單獨(dú)端子，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。

告警

風(fēng)扇控制器存在各種告警信號(hào)。其中最重要的是：

1. 風(fēng)扇故障告警

風(fēng)扇停轉(zhuǎn)(風(fēng)扇不轉(zhuǎn))時(shí)生成此告警。

2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)故障告警

在自動(dòng)控制算法無法使風(fēng)扇達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)故障。當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)已經(jīng)設(shè)置為100%但實(shí)際轉(zhuǎn)速仍然低于預(yù)期轉(zhuǎn)速時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)此故障。此外，當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)已經(jīng)設(shè)置為0%但實(shí)際轉(zhuǎn)速仍然高于預(yù)期轉(zhuǎn)速時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)此故障。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，這可能意味著風(fēng)扇出現(xiàn)了某種機(jī)械故障而且無法再以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

交錯(cuò)PWM

在涉及更多風(fēng)扇的設(shè)計(jì)中，為了避免電流消耗激增并降低噪聲，相關(guān)設(shè)計(jì)會(huì)要求禁止一次性啟動(dòng)所有風(fēng)扇。為此，此類PWM會(huì)讓其上升沿以低延遲交錯(cuò)。圖20顯示了含14臺(tái)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)所采用的交錯(cuò)PWM。

圖20：含14臺(tái)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)所采用的交錯(cuò)PWM

風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)(SoC)架構(gòu)的適用性

3線或4線風(fēng)扇的控制是通過MCU中的固件指令來實(shí)現(xiàn)的——該MCU采用定時(shí)器驅(qū)動(dòng)的PWM接口調(diào)節(jié)PWM周期的占空比和修改實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。一旦風(fēng)扇數(shù)量超過分立PWM的數(shù)量，則會(huì)限制基于獨(dú)立風(fēng)扇控制的控制與優(yōu)化。

為了計(jì)算實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，每臺(tái)風(fēng)扇都會(huì)輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速表信號(hào)，然后將該信號(hào)連接到定時(shí)器，以確定風(fēng)扇的RPM轉(zhuǎn)速。盡管某些應(yīng)用不一定在意給定風(fēng)扇的準(zhǔn)確RPM，但是該信號(hào)對(duì)檢測(cè)風(fēng)扇停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)子鎖定故障至關(guān)重要。此外，更先進(jìn)的風(fēng)扇控制應(yīng)用還可將這種轉(zhuǎn)速表風(fēng)扇響應(yīng)信息用于嚴(yán)密控制系統(tǒng)中的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇降噪技術(shù)或者盡可能地降低系統(tǒng)中風(fēng)扇的功耗。

采用新一代片上系統(tǒng)(SoC)可以在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)所有上述功能，賽普拉斯半導(dǎo)體公司可以提供各種價(jià)位的風(fēng)扇控制器解決方案產(chǎn)品組合(入門級(jí)、中級(jí)和高級(jí))。相關(guān)產(chǎn)品組合包括PSoC 1、PSoC 3、PSoC4與PSoC 5系列。

由于能夠獨(dú)立控制最多16臺(tái)風(fēng)扇，PSoC 3與PSoC 5器件基于可編程邏輯的解決方案可以消除典型MCU實(shí)現(xiàn)的約束。此外，由于能夠?qū)o定系統(tǒng)中的每臺(tái)風(fēng)扇進(jìn)行獨(dú)立控制和監(jiān)控，因此您能夠：

● 實(shí)現(xiàn)基于硬件/邏輯的閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制;

● 針對(duì)系統(tǒng)維持目標(biāo)溫度的具體需求來優(yōu)化每臺(tái)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制噪聲與能耗水平;

● 實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的預(yù)測(cè)風(fēng)扇故障與風(fēng)扇老化算法。

由于采用硬件實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制以及能夠支持高達(dá)16臺(tái)風(fēng)扇以及為其它任務(wù)釋放CPU，用于溫度測(cè)量的可配置模擬資源(RTD、熱敏電阻、熱電偶和溫度二極管)使PSoC3/5成為賽普拉斯半導(dǎo)體公司的高級(jí)風(fēng)扇控制器解決方案產(chǎn)品。圖21顯示了采用PSoC 3或PSoC 5實(shí)現(xiàn)的完整風(fēng)扇控制器系統(tǒng)。

圖21：采用硬件閉環(huán)控制、基于PSoC3或PSoC 5的風(fēng)扇控制器。

由于采用硬件實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制以及能夠支持2~14臺(tái)風(fēng)扇，用于溫度測(cè)量的可配置模擬資源(RTD、熱敏電阻、熱電偶和溫度二極管)使PSoC4成為賽普拉斯半導(dǎo)體公司的入門級(jí)風(fēng)扇控制器解決方案產(chǎn)品。圖22顯示了采用PSoC4實(shí)現(xiàn)的完整風(fēng)扇控制器系統(tǒng)。

圖22：采用硬件閉環(huán)控制、基于PSoC4的風(fēng)扇控制器

由于采用軟件實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制以及能夠支持2~8臺(tái)風(fēng)扇，用于溫度測(cè)量的可配置模擬資源(RTD、熱敏電阻、熱電偶和溫度二極管)使PSoC1成為賽普拉斯半導(dǎo)體公司的入門級(jí)風(fēng)扇控制器解決方案產(chǎn)品。圖23顯示了采用PSoC1實(shí)現(xiàn)的完整風(fēng)扇控制器系統(tǒng)。

圖23：采用軟件閉環(huán)控制、基于PSoC1的風(fēng)扇控制器

可以根據(jù)表1所示成本與其它參數(shù)確定風(fēng)扇控制/熱管理解決方案的具體PSoC系列選型。

表1：PSoC熱管理解決方案

隨著賽普拉斯PSoC等現(xiàn)代片上系統(tǒng)(SoC)配套提供的工具能夠顯著簡(jiǎn)化這些風(fēng)扇控制系統(tǒng)的開發(fā)。PSoC creator是面向基于PSoC 3、PSoC 4和PSoC 5的設(shè)計(jì)的工具。PSoC designer是面向基于PSoC 1的設(shè)計(jì)的工具。PSoC creator和PSoC designer提供的IP使設(shè)計(jì)人員能夠用PSoC快速輕松地開發(fā)風(fēng)扇控制器解決方案。這些IP是封裝所有必要硬件模塊的系統(tǒng)級(jí)解決方案，其中包括PWM、轉(zhuǎn)速表輸入捕獲定時(shí)器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器，因此能夠縮短開發(fā)時(shí)間和減少開發(fā)工作。這些IP在PSoC designer中稱為用戶模塊，在PSoC creator中稱為組件。它們可提供易于使用的應(yīng)用程序接口(API)。API程序使我們能夠通過固件與組件互動(dòng)。表2列出并說明各個(gè)函數(shù)的接口。

表2：易于使用的API

圖24：用于PSoC 3、PSoC 4與PSoC 5設(shè)計(jì)的PSoC Creator風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)向?qū)?/p>

圖25：用于PSoC 1設(shè)計(jì)的PSoC Designer風(fēng)扇控制器向?qū)?/p>

通過圖形用戶界面可以定制相關(guān)組件或用戶模塊，以便設(shè)計(jì)人員輸入風(fēng)扇機(jī)電參數(shù)，例如占空比-RPM映射和物理風(fēng)扇組構(gòu)造。通過相同用戶界面可以配置性能參數(shù)，包括PWM頻率與分辨率以及開環(huán)或閉環(huán)控制方法。在輸入系統(tǒng)參數(shù)之后，組件/用戶模塊可以提供能夠節(jié)約PSoC內(nèi)部資源的最佳實(shí)現(xiàn)方案，以便集成其它熱管理及系統(tǒng)管理功能。提供的易于使用的API使固件開發(fā)人員能夠快速啟動(dòng)和運(yùn)行。圖24顯示的是PSoC Creator的風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)向?qū)?，圖25顯示的是PSoC Designer的風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)向?qū)А?/p>

總之，采用賽普拉斯半導(dǎo)體公司的PSoC作為風(fēng)扇控制器能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和節(jié)約成本。上述解決方案實(shí)例展示了片上系統(tǒng)如何簡(jiǎn)化風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)。

參考資料

1. AN66627 - PSoC 3與PSoC 5LP智能風(fēng)扇控制器。

2. PSoC智能風(fēng)扇控制器視頻。

3. AN89346 - PSoC 4智能風(fēng)扇控制器。

4. AN78692 - PSoC 1 - 智能風(fēng)扇控制器。

5. 用于BLDC風(fēng)扇的PSoC熱管理擴(kuò)充板套件。

6. 賽普拉斯熱管理解決方案。