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無(wú)刷直流風(fēng)扇設(shè)計(jì)，高性能電子系統(tǒng)的“最?lèi)?ài)”

發(fā)布時(shí)間：2015-04-07 責(zé)任編輯：sherry

【導(dǎo)讀】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(lái)實(shí)現(xiàn)熱管理。強(qiáng)制對(duì)流方式通過(guò)轉(zhuǎn)移熱源內(nèi)部及周?chē)目諝鈦?lái)提高散熱。采用無(wú)刷直流（BLDC）風(fēng)扇能夠輕松實(shí)現(xiàn)上述目的。
 
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(wèn)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(lái)實(shí)現(xiàn)熱管理。強(qiáng)制對(duì)流方式通過(guò)轉(zhuǎn)移熱源內(nèi)部及周?chē)目諝鈦?lái)提高散熱。采用無(wú)刷直流（BLDC）風(fēng)扇能夠輕松實(shí)現(xiàn)上述目的。此類(lèi)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速取決于其RMS電壓。
 
通過(guò)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(wèn)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(guò)熱。過(guò)熱會(huì)造成組件故障。為了解決此類(lèi)問(wèn)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(guò)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(kāi)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(lèi)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(wú)刷直流風(fēng)扇如圖1所示。
典型4線直流風(fēng)扇
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(jiàn)的4極無(wú)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(lèi)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速單位為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（RPM）。此類(lèi)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速表輸出如圖2所示。
風(fēng)扇轉(zhuǎn)速表輸出
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(lái)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(guò)高和功耗增加。
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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(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)表格或關(guān)系圖顯示。圖3舉例說(shuō)明此類(lèi)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。
占空比與速度關(guān)系圖
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(shuō)明，對(duì)于給定的PWM占空比，相同風(fēng)扇具有不同轉(zhuǎn)速。
相同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與占空比對(duì)比
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B(niǎo)LDC電機(jī)的整流由風(fēng)扇本身的專(zhuān)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。
4線直流風(fēng)扇連接器引腳分配
圖5：4線直流風(fēng)扇連接器引腳分配
4線風(fēng)扇拆卸
圖6：4線風(fēng)扇拆卸
 
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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(guò)直流輸入電源的PWM調(diào)制進(jìn)行控制，PWM調(diào)制可以通過(guò)控制風(fēng)扇的電流來(lái)改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速表電路直接通過(guò)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(kāi)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(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的直流電源來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，而此類(lèi)風(fēng)扇沒(méi)有轉(zhuǎn)速表反饋信息。
 
3線和2線風(fēng)扇已過(guò)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(wú)需修改就能夠連接到旨在支持3線風(fēng)扇（無(wú)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。
風(fēng)扇控制器方框圖
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(shuō)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)程。通常定時(shí)器測(cè)量一個(gè)周期的時(shí)間。
頻率計(jì)數(shù)器
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(shuō)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(lái)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。可以根據(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(guò)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)保持風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速。
 
在開(kāi)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(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速控制方法。
開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速控制
圖9：開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速控制
執(zhí)行開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速控制的風(fēng)扇控制器
圖10：執(zhí)行開(kāi)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(guò)測(cè)量實(shí)際轉(zhuǎn)速和相應(yīng)調(diào)節(jié)占空比來(lái)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(shuō)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。
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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。
閉環(huán)風(fēng)扇PID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(guò)大和不穩(wěn)定。
 
■ 積分參數(shù)與比例參數(shù)類(lèi)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(guò)，高積分參數(shù)會(huì)導(dǎo)致超調(diào)量過(guò)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。
PID調(diào)節(jié)，P = 30, I = 0, D=0
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(guò)大的問(wèn)題，如圖13所示。
PID調(diào)節(jié)，P = 30, I = 20, D = 0
圖14 PID調(diào)節(jié)，P = 30, I = 20, D = 0
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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。
PID調(diào)節(jié)，P = 15, I = 5, D = 0
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。
PID調(diào)節(jié)，P = 15, I = 2, D = 0
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。
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硬件中的閉環(huán)實(shí)現(xiàn)
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。
固件中的閉環(huán)實(shí)現(xiàn)
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(guò)，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(wú)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(wú)法再以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
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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(lèi)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。
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(guò)MCU中的固件指令來(lái)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(guò)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(mén)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(lái)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)。
采用硬件閉環(huán)控制、基于PSoC3或PSoC 5的風(fēng)扇控制器。
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(mén)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)。
采用硬件閉環(huán)控制、基于PSoC4的風(fēng)扇控制器
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(mén)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)。
采用軟件閉環(huán)控制、基于PSoC1的風(fēng)扇控制器
圖23：采用軟件閉環(huán)控制、基于PSoC1的風(fēng)扇控制器
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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。
PSoC熱管理解決方案
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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)時(shí)間和減少開(kāi)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(guò)固件與組件互動(dòng)。表2列出并說(shuō)明各個(gè)函數(shù)的接口。
易于使用的API
表2：易于使用的API
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)? width=
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)?/div>
用于PSoC 1設(shè)計(jì)的PSoC Designer風(fēng)扇控制器向?qū)? width=
圖25：用于PSoC 1設(shè)計(jì)的PSoC Designer風(fēng)扇控制器向?qū)?/div>
 
通過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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?/div>
 
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)。
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