如何利用可配置晶片實現PWM風扇驅動

作者 : Gabriele Mantovani,Planet Analog

本文描述了如何配置電源管理IC,以實現12V雙線風扇的智慧脈衝寬度調變(PWM)風扇驅動器。

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VDD,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VDD

 

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VIN)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:

Vmean = 4 × VIN

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 × VIN/VDD2_A) × 100

在此示例中,VDD2_A為12V,得到100%的工作週期,且VIN = 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VIN ≈ 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VIN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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