如今，冷卻風扇被廣泛使用，並且在電子設備中極為重要，尤其對於那些不間斷運作的設備，包括電源、伺服器、電腦和電信設備。低成本冷卻系統通常採用不間斷全速運作的2線風扇，2線風扇沒有通常只有更昂貴的3線風扇才有可能具備的溫度比例速度控制，且無法檢測到風扇鎖定，從而縮短了風扇壽命，並可能對正在冷卻的系統造成致命損壞。

本文描述了如何配置電源管理IC——SLG47105，以實現12伏特(V)雙線風扇的智慧脈衝寬度調變(PWM)風扇驅動器。該驅動器具有溫度比例速度控制和鎖定檢測功能，是一種外部元件最少的低成本的解決方案。

冷卻風扇通常使用無刷直流馬達，馬達具有基於霍爾感測器的簡單內部換向電路，由直流電壓供電。風扇的速度與直流電壓成正比，可以透過PWM技術進行控制。以下從這種設計方法的基本建構和工作原理開始，簡要介紹工程師如何在產品中實現PWM風扇驅動器。

建構模組及工作原理

設計有4個輸入和1個輸出：

• PIN#2：類比輸入，控制風扇速度；
• PIN#3：控制模式選擇輸入；
• PIN#14：PWM輸入，直接控制輸出驅動器；
• PIN#17：風扇關閉輸入，以禁用風扇；
• PIN#16：故障輸出，在低電平動作。

圖1所示的應用電路中，輸入模式連接到GND，此時電路工作在「類比模式」，風扇轉速與PIN#2上的電壓成正比。該設計還允許工程師利用PIN#14上的PWM訊號直接控制輸出驅動器。在這種情況下，輸入模式端必須連接到V_DD，進入「數位模式」。

圖1：基本的典型應用電路。

(來源：瑞薩電子)

PIN#19和PIN#20用於檢測溫度閾值，在「類比模式」中須連接到PIN#2，而在「數位模式」中須連接到V_DD。

風扇參數。

圖2：原型所示為外部元件最少的低成本解決方案。

(來源：瑞薩電子)

HVPAK設計剖析

本電路設計在GreenPAK Designer軟體中創建，該軟體是Go Configure軟體中心的一部分，可免費使用，工程師無需任何程式設計語言知識即可創建電路設計。

圖3：突出顯示HVPAK設計建構塊。

(來源：瑞薩電子)

風扇速度控制(與電壓成比例)

風扇速度控制允許工程師使用電壓來控制風扇速度。驅動風扇的PWM的工作週期(dc)與輸入電壓成正比(介於0V和3V之間)。

圖4：驅動風扇的PWM的工作週期與輸入電壓成正比。

(來源：瑞薩電子)

具積分器和比較器巨集單元的差分放大器，對高壓輸出端上的電壓進行放大，然後提取平均值，並將其與參考電壓(PIN#2上的電壓V_IN)進行比較，巨集單元根據比較結果，啟動「equal」或「upword」輸出。

PWM巨集單元使用「equal」和「upword」訊號來遞增或遞減工作週期計數器，該計數器儲存一個8位元值，表示生成的PWM波形的工作週期。這樣，該模組實現了一個調整工作週期的迴圈，以簡化以下運算式：

V_mean = 4 × V_IN

這裡，Vmean是風扇上的平均電壓，常數4是差分放大器的增益。因此，輸出工作週期取決於輸入電壓，公式如下：

dc (%) = (4 × V_IN/V_DD2_A) × 100

在此示例中，V_DD2_A為12V，得到100%的工作週期，且V_IN = 3V。

圖5所示為輸出PWM波形(CH1通道所示)和輸入電壓(CH2通道所示)，其中V_IN ≈ 1.5V，dc ≈ 50%。

圖5：輸出工作週期取決於輸入電壓。

(來源：瑞薩電子)

鎖定檢測和自動重啟

該模組可以檢測風扇是否停止，無論是因為它被迫停止還是因為它與驅動器的連接斷開。當檢測到鎖定時，輸出驅動器被禁用。在第一種情況下，還需要保護風扇免受致命損壞。在這兩種情況下，該模組用於啟動故障輸出，以便系統能夠保護自身免受過熱影響。

此外，當檢測到鎖定時，該模組會嘗試在程式設計預設的延遲時間後自動重新啟動風扇。

該模組基於透過與驅動器串聯的電阻器獲得的電流測量，電阻器在感測器輸入端提供與馬達電流成比例的電壓訊號。為瞭解如何檢測風扇鎖定，需要瞭解直流無刷風扇的電路。

無刷直流風扇使用如圖6所示的簡單開關電路。霍爾感測器根據轉子位置打開兩個電晶體中的一個，以啟動正確的線圈並確保旋轉。這些換向會導致風扇電流的短暫和週期性中斷；另一方面，如果風扇被鎖定，則沒有換向，也沒有電流中斷。

圖6：無刷直流風扇使用簡單的開關電路。

(來源：瑞薩電子)

比較器CCMP0用於在每次電流中斷時提供一個脈衝。脈衝的下降邊緣不斷觸發CNT1/DLY1巨集單元(配置為延遲模式)，只要脈衝不斷到來，它將保持其輸出為低電平。如果大約50ms內沒有脈衝，輸出將變為高電平，觸發CNT3/DLY3 (配置為單次模式)提供一個負脈衝，該脈衝持續時間為5秒，在此期間，輸出驅動器被禁用。故障輸出啟動為低電平，由CNT3/DLY3輸出驅動。

5秒鐘後，輸出驅動器再次啟用。如果風扇仍處於鎖定狀態，設備將再次進入故障狀態，而3輸入OR用於禁用鎖定檢測邏輯。

計時器啟動

由於風扇因慣性而無法立即開始旋轉，鎖定檢測邏輯可能會檢測到誤故障，並過早禁用輸出驅動器。該模組用於在馬達啟動期間旁路鎖定檢測邏輯，以避免出現這種不期望的情況。

該模組使用CNT2/DLY2在下降邊緣一次性啟動的模式。下降邊緣由POR或「SHDN」訊號產生。在第一種情況下，上升邊緣檢測器產生由POR觸發的短脈衝，因此在通電時產生啟動訊號。相反，「SHDN」訊號的下降邊緣對應於風扇重新開機的所有情況。

當檢測到下降邊緣時，「STARTUP」輸出變為約125ms寬的高電平，無論來自CCMP0的訊號是什麼，都會在CNT1/DLY1的輸入端強制為邏輯1 (圖7)。這允許工程師禁用由下降邊緣觸發的鎖定檢測鏈；「STARTUP」訊號可能只是產生一個上升邊緣，但它不會產生任何影響。

圖7：啟動計時器模組用於在馬達啟動期間旁路鎖定檢測邏輯。

(來源：瑞薩電子)

最低速度和停止閾值

該設計允許工程師設置最低風扇速度和最低溫度(低於該溫度時風扇將被禁用)。

圖8：此模組設置最低風扇速度和最低溫度，低於該最低溫度風扇將被禁用。

(來源：瑞薩電子)

為此，使用了兩個電壓比較器。比較器的輸入連接到V_IN電壓，該電壓控制風扇的速度並與檢測到的溫度成正比。

由於速度與輸入電壓成正比，因此可以透過在比較器上設置電壓閾值來設置最小風扇速度。當輸入電壓低於閾值時，比較器的輸出(MIN SPEED)變為低電平，並利用2位元LUT強制高電平以「保持」PWM巨集單元的輸入。這樣，只要輸入電壓低於閾值，輸出工作週期就不能進一步降低，從而設置最小風扇速度。

類似的概念適用於其他比較器。在這種情況下，電壓閾值必須與溫度感測器的最低溫度相對應。當輸入電壓低於閾值時，比較器的輸出(FAN STOP)變為低電平並禁用輸出驅動器，從而停止風扇。這兩個比較器中，都使用了32mV的遲滯。

(參考原文：How to implement PWM fan driver using configurable chips，by Gabriele Mantovani)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年5月號

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