电信应用中的风扇控制片上系统

我们已经进入需要高性能和电路小型化的电子产品革命时代。电子系统性能的提高和尺寸的缩小已经导致功耗与散热的增加。因此，从个人电脑到高端服务器的不同解决方案频频出现热管理问题。系统冷却/热管理已成为所有高性能电子系统的关键任务。通常采用强制对流方式来实现热管理。强制对流方式通过转移热源内部及周围的空气来提高散热。采用无刷直流（BLDC）风扇能够轻松实现上述目的。此类风扇的转速取决于其RMS电压。
通过全速运行风扇可以实现热管理，但是风扇的高转速会导致以下问题：
● 提高可闻噪声
● 增加功耗
● 缩短使用寿命（机械磨损）
● 增加堵塞（集尘）
然而，风扇低于所需转速运行时又会导致冷却不足，从而造成组件过热。过热会造成组件故障。为了解决此类问题，必须根据环境条件（即：温度）控制风扇转速。
风扇转速可采用以下方式控制：
1. 直接PWM →通过提高或降低用于控制转速的脉宽（即：改变占空比）可以实现脉宽调制（PWM）。
2. 线性调节→线性调节器可以控制风扇的直流电压，进而控制风扇转速。
3. DC-DC调节→此方式与线性调节大同小异，其区别是采用开关调节器替代线性调节器。
直接PWM方法因其具有低功耗、低成本、易于设计等优势，较为常用。热管理所用BLDC风扇大部分为4线，而部分老式设计为3线和2线。
4 线风扇
此类BLDC风扇的四根线分别用于供电、接地、转速表输出和PWM输入。典型4线无刷直流风扇如图1所示。


图1：典型4线直流风扇


4线直流风扇包含霍尔效应传感器，其可以感测转子转动时产生的旋转磁场。霍尔效应传感器的输出为脉冲串，其周期与风扇转速成反比。每转产生的脉冲数量取决于风扇极数。就最常见的4极无刷直流风扇而言，霍尔效应传感器的转速表输出在每转会产生2个脉冲。如果风扇由于机械或其他故障而停止转动，则转速表输出信号稳定到某个逻辑低电平或高电平。此类风扇转速单位为每分钟转数（RPM）。此类风扇的转速表输出如图2所示。


图2：风扇转速表输出


风扇采用标准尺寸，一般为40毫米、80毫米和120毫米。为冷却应用挑选风扇时，最重要的考虑指标是风扇的排风量。排风量一般用每分钟立方英尺（CFM）或每分钟立方米（m3/分钟）来衡量。风扇叶片的尺寸、形状和桨距都会影响风扇的排风量。小风扇在给定时间内排除相同空气需要以比大风扇更高的转速运行。
空间受限以及由于物理尺寸限制而需要更小风扇的应用所产生的噪声会明显增强。
为了控制产生噪声，可以配置风扇控制器以尽可能低的转速驱动风扇，同时将工作温度保持在安全限制范围内。与始终全速运行风扇的系统相比，这种方法还可以延长风扇的使用寿命。
风扇制造商在其数据表中指定占空比与RPM关系，其容差高达±20%。为了确保风扇以预期转速运行，系统设计人员需要以比额定值高20%的转速运行风扇，以确保制造商供应的所有风扇都能够提供足够的冷却。这样可能导致噪声过高和功耗增加。
风扇制造商会规定PWM占空比与额定风扇转速的关系，并通过数据点表格或关系图显示。图3举例说明此类信息，其中横轴显示PWM控制占空比（%），而纵轴显示RPM风扇转速。


图3：占空比与速度关系图


值得注意的是，在PWM引脚的低占空比状态下，所有风扇的表现并不一致。某些风扇在PWM引脚占空比接近0%时会停止旋转，而有些风扇此时仍继续转动。这两种情况下，占空比与RPM关系可能是非线性关系，也可能是并未指定。同样，两台相同风扇在相同占空比情况下转速可能不同。在利用占空比与RPM信息时，应当使用线性区中明确限定风扇行为的两个数据点。从图4可以看出，PWM占空比为0情况下转速并非0。图4另外说明，对于给定的PWM占空比，相同风扇具有不同转速。


图4：相同风扇转速与占空比对比


风扇电缆与连接器
在布线层面，制造商的电线色码并不一致，但是会采用标准的连接器引脚分配。图5显示连接器底视图。请注意：连接器带有键控，以防错误插入风扇控制器板。一般4线风扇是配备永磁转子和电磁定子的BLDC电机，而BLDC电机的整流由风扇本身的专用集成电路（ASIC）执行。图6显示了4线风扇的拆卸组件，其中可以看到定子、转子与电机控制ASIC。


图5：4线直流风扇连接器引脚分配



图6：4线风扇拆卸


3 线与2 线风扇
3线风扇端子包括：
1. 直流输入电源（12V、24V或48V）；
2. 接地；
3. 转速表输出。
由于PWM引脚不可用，因此风扇转速必须通过直流输入电源的PWM调制进行控制，PWM调制可以通过控制风扇的电流来改变风扇转速。转速表电路直接通过直流电源输入供电。该直流电源输入还可为电机绕组供电；因此，只有在电机通电情况下才会启动转速表电路。从而，只有在PWM占空比处于“开启”状态并且风扇已经通电情况下才能够获得正确的转速表读数。3线风扇与4线风扇具有不同的PWM引脚可用性和PWM ON周期转速表测量值。2线风扇端子包括：
1. 直流输入电源（12V、24V或48V）；
2. 接地。
这里必须通过调节风扇的直流电源来调节转速，而此类风扇没有转速表反馈信息。
3线和2线风扇已过时，而设计人员现在一直采用4线风扇。另外，所选用的键控方案使4线风扇无需修改就能够连接到旨在支持3线风扇（无PWM转速控制信号）的控制板。本文重点介绍4线风扇及其控制方法。 



        
4 线风扇控制器
简而言之，风扇控制器可以定义为能够根据PWM占空比变化读取并控制风扇转速的器件。图7显示简单风扇控制器的方框图。


图7：风扇控制器方框图


风扇控制器的基本模块包括PWM、磁滞比较器和转速控制固件。基本模块详细说明如下。
在必须采用单个风扇控制器控制多台风扇的设计中采用多路复用器将来自风扇的转速表信号多路传输到磁滞比较器/干扰滤波器模块。多路复用器一次会将一台风扇的转速表信号连接到磁滞比较器/干扰滤波器模块。某些风扇中的转速表信号可能存在干扰，因此可能需要磁滞比较器/干扰滤波器来去除干扰。
定时器用于测量滤波后转速表信号的频率，可以根据等式1计算出RPM值。计算出风扇1的RPM值后，通过多路复用器连接风扇2进行转速测量，然后继续此过程。通常定时器测量一个周期的时间。


图8：频率计数器
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定时器按时钟频率fclock持续增加，并且由输入信号finput（即：转速表信号的频率）锁存。双锁存器能够从新的计数值减去奇数计数值，从而获得各个采样周期的新累加值。式2说明如何计算测得的频率。
fclock  的选择方式可以确保定时器针对必须从风扇测量的最低频率/种子值不会溢出。卡死风扇（Stuck Fan）会造成高电平或低电平状态，从而导致定时器溢出。通常溢出视为风扇卡死的信号。不同风扇控制器采用具有不同分辨率的PWM来控制风扇。高分辨率可以提供更精细的转速控制。PWM分辨率可以根据系统需要的转速控制分辨率进行选择。可以根据控制风扇所需要的占空比步阶精度确定PWM分辨率。
风扇转速控制
由于需要控制的风扇转速容差较大，在采用直接PWM方法的情况下可以通过开环和闭环保持风扇额定转速。
在开环转速控制中，风扇控制器可调节PWM占空比，并可根据主机的指令将风扇转速信息发送到主机/主控制器。此时，主机获得预期转速与占空比信息，并将从风扇控制器读取实际转速，然后命令风扇控制器调节占空比转速信息，以达到预期转速。图9所示流程图以及图10所示方框图代表开环转速控制方法。


图9：开环转速控制



图10：执行开环转速控制的风扇控制器


在闭环转速控制中，风扇控制器通过测量实际转速和相应调节占空比来确保风扇以预期转速运行。此时主机会指定风扇控制器的预期转速和容差。闭环转速控制中的部分参数包括：
1. 预期转速——主机希望风扇运行的转速。
2. 实际转速——例如，风扇的数据表说明其在占空比1时以RPM1运行，但是由于容差较大，风扇实际会以RPM1 ±△运行。RPM1 ±△为风扇的实际转速，RPM1为风扇的预期转速。实际上，由于风扇的磨损和老化，△值会显著提高。
3. 容差——此参数规定设置预期风扇转速目标时的可接受容差。容差设定为预期转速设置值的百分比。闭环控制的容差定义如下。




4. 比例、积分、微分（PID）参数——PID参数可以影响风扇响应转速变更请求的方式。可以针对上升时间、峰值超调量、稳态误差和稳定性分析相关输出响应。PID常数的正确调节能够提供适合某项应用的最佳组合。图11显示的是PID闭环转速控制。


图11：闭环风扇PID转速控制


每个PID参数（比例、积分与微分）都会以特定方式影响输出响应。
■ 比例参数有助于实现更快速的响应，但是异常高的值会导致超调量过大和不稳定。
■ 积分参数与比例参数类似，但它的一个主要优势是可使稳态误差为零。不过，高积分参数会导致超调量过大。
■ 微分参数有助于降低超调量与建立时间。它通常为最小化，因为它会放大误差信号的噪声，从而导致不稳定性。
需要在快速响应和稳定性之间进行权衡。在风扇控制器应用中，保持稳定的风扇响应通常比获得快速响应时间更有利，因为系统温度并不会迅速改变。
图12表明，缺乏积分控制以及比例参数值较低会导致巨大误差。


图12：PID调节，P = 30, I = 0, D=0


在引入积分控制后误差降低到0，但仍然存在超调量过大的问题，如图13所示。


图13：PID调节，P = 30, I = 30, D = 0


降低积分参数可以降低峰值超调量，如图14.所示。


图14 PID调节，P = 30, I = 20, D = 0


如图15所示，随着积分参数的进一步降低，峰值超调量变为0，但稳定时间也随之增加。


图15：PID调节，P = 30, I = 5, D = 0


比例参数的降低会减缓转速响应，如图16所示。


图16：PID调节，P = 15, I = 5, D = 0


积分参数的降低会增加建立时间，如图17所示。


图17：PID调节，P = 15, I = 2, D = 0


PID转速控制可以在固件或硬件逻辑中实现，图18与图19分别显示了硬件与固件中的闭环实现。在闭环转速控制中，占空比与RPM信息以查询表或传递函数的方式保存在风扇控制器。在闭环转速控制的硬件实现中，转速控制将在硬件中执行，从而能够释放CPU用于执行其它任务。在需要将CPU用于除风扇控制之外的其它进程的设计中会采用这种实现方式。


图18：硬件中的闭环实现


在闭环转速控制的固件实现中，转速控制是在固件中执行，而且需要占用大量CPU。在风扇控制是微控制器执行的主要进程或唯一进程的设计中会采用这种实现方式。


图19：固件中的闭环实现


风扇控制器还涉及几个其它参数，如下所示。
风扇组
在风扇组中，多个风扇共享相同的PWM驱动信号；不过，所有的单独转速表反馈信号都连接到单独端子，以实现转速测量。
告警
风扇控制器存在各种告警信号。其中最重要的是：
1. 风扇故障告警
风扇停转（风扇不转）时生成此告警。
2. 转速调节故障告警
在自动控制算法无法使风扇达到预期转速时会出现转速调节故障。当PWM驱动已经设置为100%但实际转速仍然低于预期转速时，也会出现此故障。此外，当PWM驱动已经设置为0%但实际转速仍然高于预期转速时，也会出现此故障。在现实应用中，这可能意味着风扇出现了某种机械故障而且无法再以额定转速运行。[page]
交错PWM
在涉及更多风扇的设计中，为了避免电流消耗激增并降低噪声，相关设计会要求禁止一次性启动所有风扇。为此，此类PWM会让其上升沿以低延迟交错。图20显示了含14台风扇的设计所采用的交错PWM。


图20：含14台风扇的设计所采用的交错PWM
        
风扇控制器设计片上系统（SoC）架构的适用性
3线或4线风扇的控制是通过MCU中的固件指令来实现的——该MCU采用定时器驱动的PWM接口调节PWM周期的占空比和修改实际风扇转速。一旦风扇数量超过分立PWM的数量，则会限制基于独立风扇控制的控制与优化。
为了计算实际风扇转速，每台风扇都会输出一个转速表信号，然后将该信号连接到定时器，以确定风扇的RPM转速。尽管某些应用不一定在意给定风扇的准确RPM，但是该信号对检测风扇停转或转子锁定故障至关重要。此外，更先进的风扇控制应用还可将这种转速表风扇响应信息用于严密控制系统中的风扇转速，以实现风扇降噪技术或者尽可能地降低系统中风扇的功耗。
采用新一代片上系统（SoC）可以在单个芯片上实现所有上述功能，赛普拉斯半导体公司可以提供各种价位的风扇控制器解决方案产品组合（入门级、中级和高级）。相关产品组合包括PSoC 1、PSoC 3、PSoC4与PSoC 5系列。
由于能够独立控制最多16台风扇，PSoC 3与PSoC 5器件基于可编程逻辑的解决方案可以消除典型MCU实现的约束。此外，由于能够对给定系统中的每台风扇进行独立控制和监控，因此您能够：
● 实现基于硬件/逻辑的闭环转速控制；
● 针对系统维持目标温度的具体需求来优化每台风扇的转速，进而控制噪声与能耗水平；
● 实现先进的预测风扇故障与风扇老化算法。
由于采用硬件实现的闭环转速控制以及能够支持高达16台风扇以及为其它任务释放CPU，用于温度测量的可配置模拟资源（RTD、热敏电阻、热电偶和温度二极管）使PSoC3/5成为赛普拉斯半导体公司的高级风扇控制器解决方案产品。图21显示了采用PSoC 3或PSoC 5实现的完整风扇控制器系统。


图21：采用硬件闭环控制、基于PSoC3或PSoC 5的风扇控制器。


由于采用硬件实现的闭环转速控制以及能够支持2~14台风扇，用于温度测量的可配置模拟资源（RTD、热敏电阻、热电偶和温度二极管）使PSoC4成为赛普拉斯半导体公司的入门级风扇控制器解决方案产品。图22显示了采用PSoC4实现的完整风扇控制器系统。


图22：采用硬件闭环控制、基于PSoC4的风扇控制器


由于采用软件实现的闭环转速控制以及能够支持2~8台风扇，用于温度测量的可配置模拟资源（RTD、热敏电阻、热电偶和温度二极管）使PSoC1成为赛普拉斯半导体公司的入门级风扇控制器解决方案产品。图23显示了采用PSoC1实现的完整风扇控制器系统。


图23：采用软件闭环控制、基于PSoC1的风扇控制器


可以根据表1所示成本与其它参数确定风扇控制/热管理解决方案的具体PSoC系列选型。


表1：PSoC热管理解决方案


随着赛普拉斯PSoC等现代片上系统（SoC）配套提供的工具能够显著简化这些风扇控制系统的开发。PSoC creator是面向基于PSoC 3、PSoC 4和PSoC 5的设计的工具。PSoC designer是面向基于PSoC 1的设计的工具。PSoC creator和PSoC designer提供的IP使设计人员能够用PSoC快速轻松地开发风扇控制器解决方案。这些IP是封装所有必要硬件模块的系统级解决方案，其中包括PWM、转速表输入捕获定时器、控制寄存器和状态寄存器，因此能够缩短开发时间和减少开发工作。这些IP在PSoC designer中称为用户模块，在PSoC creator中称为组件。它们可提供易于使用的应用程序接口（API）。API程序使我们能够通过固件与组件互动。表2列出并说明各个函数的接口。


表2：易于使用的API



图24：用于PSoC 3、PSoC 4与PSoC 5设计的PSoC Creator风扇控制器设计向导



图25：用于PSoC 1设计的PSoC Designer风扇控制器向导


通过图形用户界面可以定制相关组件或用户模块，以便设计人员输入风扇机电参数，例如占空比-RPM映射和物理风扇组构造。通过相同用户界面可以配置性能参数，包括PWM频率与分辨率以及开环或闭环控制方法。在输入系统参数之后，组件/用户模块可以提供能够节约PSoC内部资源的最佳实现方案，以便集成其它热管理及系统管理功能。提供的易于使用的API使固件开发人员能够快速启动和运行。图24显示的是PSoC Creator的风扇控制器设计向导，图25显示的是PSoC Designer的风扇控制器设计向导。
总之，采用赛普拉斯半导体公司的PSoC作为风扇控制器能够简化设计，缩短设计时间和节约成本。上述解决方案实例展示了片上系统如何简化风扇控制器设计。
参考资料
1. AN66627 - PSoC 3与PSoC 5LP智能风扇控制器。
2. PSoC智能风扇控制器视频。
3. AN89346 - PSoC 4智能风扇控制器。
4. AN78692 - PSoC 1 - 智能风扇控制器。
5. 用于BLDC风扇的PSoC热管理扩充板套件。
6. 赛普拉斯热管理解决方案。