应用笔记 896

改进风扇控制:关于风扇速度控制的考虑


摘要 : 根据风扇温度控制风扇速度是降低系统噪声和延长风扇使用时间的有效方法,本文介绍了控制风扇速度的集成电路(IC)。

控制直流风扇的无刷电机有多种方式,最简单的方法是通过一只晶体管实现开/关控制。Maxim提供多种控制风扇速度的器件,器件的输出类型既有驱动2线或3线风扇电源的线性输出,也有驱动4线风扇控制输入的PWM输出。

调节风扇速度

在必须精确控制风扇速度的应用中,可以考虑采用带有闭环RPM控制的风扇控制器。MAX6650/MAX6651是最早推出的能够实现风扇速度调节的风扇控制器IC。MAX6650/MAX6651是闭环风扇控制IC,接受来自3线风扇转速计输出的反馈信号。这样能够直接设定风扇速度,而无须担心启动和低速运行的可靠性问题。MAX6650/MAX6651两者都能够驱动多个风扇(仅从其中一个风扇反馈转速信号),而MAX6651能够监测多达四个风扇的转速计信号。

图1. MAX6650是真正的风扇速度控制器,它和带有转速信号输出的风扇一起构成了一个反馈控制环路。
图1. MAX6650是真正的风扇速度控制器,它和带有转速信号输出的风扇一起构成了一个反馈控制环路。

图1描绘了MAX6650的一个典型应用。MAX6650根据编程在风扇速度寄存器内的数码控制风扇速度,使风扇转速计周期与寄存器值成比例。由于通常风扇每转产生两个转速计脉冲,则所要求的风扇速度寄存器值由下列等式计算:
式1.

式2.
其中:
KTACH = 编程在风扇速度寄存器中的值
tTACH = 转速计信号周期
KSCALE = 预分频值(由MAX6650/MAX6651的配置寄存器设定,取值1至16,默认值4)
fCLK = MAX6650/MAX6651时钟频率(典型值为254kHz)

MAX6650/MAX6651的其它优点

MAX6650/MAX6651不仅能够控制风扇速度,而且还能够完成很多其它功能。其中包括看门狗功能,可监视控制环是否稳定,风扇速度是否超出程序设定的看门狗界限,以及其它一些通用的数字功能。限于文章的篇幅,关于其它功能的详细信息,请参考MAX6650/MAX6651的数据资料。

MAX6650/MAX6651将设计师从那些复杂的、与闭环放大器相关的问题中解脱出来,仅剩下选择和安装调整管的问题。调整管选定后,如果满足下式所列的条件,则无需额外的散热:
式3.
其中:
TJMAX = 最高允许结温,来自晶体管制造商提供的数据资料
TA = 最高允许的环境温度
PD = 功耗(同上述的等式3)
θJ-A = 热阻,结到外部环境,来自晶体管制造商提供的数据资料

如果上式条件不满足,必须选择合适的散热器,以满足下式:
式4.
其中:
RθSA = 散热器热阻(来自散热器制造商提供的数据资料)
RθJC = 调整管结到外壳的热阻(来自调整管制造商提供的数据资料)

目前尚未讨论风扇完全短路时的情况。如果发生,那么风扇电源所能输出的全部电流将流过调整管。如果需要考虑这种情况,则应该采用此时的电流和电压值来计算功耗和散热。作为另一种选择,可以在调整管上增加一个限流电路,例如图2所示的电路。可依据下式计算限流电阻的阻值:

式5.
其中,ILIMIT是期望的限流值。需要注意的是,该限流电路对温度比较敏感。等式中的常数0.6实际上是电流限制晶体管的基-射极电压,变化率约为-2.2mV/°C。对于要求随着温度的升高而降低限流值的应用,这个特性却是很有用的。

图2. 当调整管要求限制电流时,这个电路能够实现该功能。
图2. 当调整管要求限制电流时,这个电路能够实现该功能。

采用MAX6620控制多达4个3线风扇

MAX6620具有极大的灵活性,可以为多个风扇提供RPM控制。该器件能够独立控制多达4个风扇,此外还可设置输出电压变化速率。该特性使风扇速度的变化极为缓慢,不会在设备附近产生噪声。图3给出了MAX6620控制4个3线风扇的典型电路图。

图3. 此处所示的MAX6620为4通道线性风扇速度控制器,采用外部调整管为风扇提供可变电源。MAX6620监测风扇的转速信号,由此调节电源电压以实现要求的转速计频率。
图3. 此处所示的MAX6620为4通道线性风扇速度控制器,采用外部调整管为风扇提供可变电源。MAX6620监测风扇的转速信号,由此调节电源电压以实现要求的转速计频率。

采用MAX6639控制4线风扇

4线风扇带有“速度控制”输入,因而简化了风扇速度控制过程。该输入通常接收PWM输入信号,风扇速度即由PWM信号的占空比决定。在某些风扇中,该速度控制输入也接收电压信号。

MAX6639监测两个风扇的转速计输出,调节PWM输出的占空比,使风扇进行速度修正。同MAX6620一样,MAX6639也包括多个功能,其中风扇失效检测和可调节PWM变化速率功能有助于降低风扇速度变化时的噪声。此外,MAX6639还包含两个温度检测通道和可编程温度-RPM控制算法,可根据温度变化自动控制风扇RPM。图4给出了MAX6639控制2个风扇的典型电路图。

图4. MAX6639控制2个4线风扇,MAX6639测量两路温度数据,可根据温度测量值控制风扇RPM。
图4. MAX6639控制2个4线风扇,MAX6639测量两路温度数据,可根据温度测量值控制风扇RPM。