电信应用中的风扇控制片上系统

2019-10-22 10:05

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

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