使用片上可编程系统进行风扇控制

编者按：在本产品如何操作文章中，Cypress Semiconductor的Sanjeev Kumar提供了一个教程，介绍了开发人员所需的一切，从基本PID算法到物理组件放置，以使用该公司的PSoC组件实现2线、3线和4线风扇电机控制器的电子设备。

我们正处于一个要求高性能和电路小型化的电子革命时代。这种性能的双重提高和尺寸的减小导致了功耗和散热的增加。因此，热管理在从个人计算机到高端服务器的应用中都是一个问题，这使得冷却/热管理成为每一个高性能电子系统的关键部分。

热管理是通过强制对流来完成的，通过移动热源内部和周围的空气来增加散热。这通常使用无刷直流（BLDC）风扇来实现。这些风扇的速度取决于输入的RMS电压。

热管理可以通过全速运行这些风扇来完成。但是，高速运行会导致以下问题：

或者，在低于所需速度的情况下操作风扇会导致冷却效率低下，并可能导致部件过热和部件故障。为了克服这些问题，需要根据环境条件（即温度）控制风扇速度。

可以通过以下方式控制风扇转速：

直接PWM由于具有功耗低、成本低和易于设计等优点而被广泛使用。最常见的是，用于热管理的无刷直流风扇有四根电线，尽管旧的设计可能有三根或两根电线。

4线风扇基础
无刷直流风扇的四根导线是电源、接地、转速表输出和PWM输入。典型的4线无刷直流风扇如所示图1.

4线直流风扇包括霍尔效应传感器，该传感器在转子旋转时感应转子产生的磁场。霍尔效应传感器的输出是一个脉冲串，其周期与风扇转速成反比。每转产生的脉冲数取决于风扇中的极数。对于最常见的四极无刷直流风扇，霍尔效应传感器的转速表输出将在风扇每转一圈时产生两个脉冲。如果风扇由于机械故障或其他故障而停止旋转，转速表输出信号将保持静态，处于逻辑低电平或逻辑高电平。该风扇的转速以每分钟转数（RPM）为单位进行测量。一个此类风扇的转速表输出如所示图2:.

风扇有标准尺寸；40mm、80mm和120mm是常见的。为冷却应用选择风扇时，最重要的规格是风扇可以移动的空气量。这被指定为每分钟立方英尺（CFM）或每分钟立方米（m3/min）。风扇叶片的大小、形状和间距都有助于风扇移动空气的能力。较小的风扇需要比较大的风扇以更高的速度运行，才能在给定的时间内移动相同体积的空气。

由于物理尺寸限制，空间受限且需要较小风扇的应用程序会产生明显更多的声学噪声。为了管理声学噪声的产生，可以将风扇控制器配置为以尽可能小的速度驱动风扇，同时保持安全的工作温度限制。与始终以全速运行所有风扇的系统相比，这也延长了风扇的使用寿命。

风机制造商在其数据表中规定了占空比与转速的关系，公差高达±20%。为了保证风扇以所需的速度运行，系统设计者需要以比标称速度高20%的速度运行风扇，以确保该制造商的任何风扇都能提供足够的冷却。这可能导致过度的声学噪声和更高的功耗。

风扇制造商指定PWM占空比与额定风扇转速的关系。这是通过数据点表或显示关系的图表提供的。此信息的示例如所示图3，PWM控制占空比在横轴上显示为百分比，风扇转速在纵轴上显示为RPM。

需要注意的是，在PWM引脚的低占空比下，并非所有风扇的行为都相同。当PWM引脚上的占空比接近0%时，一些风扇停止旋转，而其他风扇仍以低转速旋转。在这两种情况下，占空比与RPM的关系可以是非线性的，也可以是未指定的。类似地，两个相同的风扇可以在相同的占空比下以不同的速度运行。当使用占空比到RPM信息时，应该使用来自线性区域的两个数据点，在线性区域中，风扇的行为是明确定义的。例如，图4显示，在PWM占空比为零时，风扇转速为非零。图4还表明，对于给定的PWM占空比，相同风扇的速度是不同的。

风扇电缆和连接器
在布线层面，尽管连接器引脚分配是标准的，但制造商之间的电线颜色编码并不一致。图5显示了连接器的底视图。请注意，连接器带有键，以防止错误插入风扇控制器板。通常，四线制风扇是带有永磁转子和电磁定子的无刷直流电机。无刷直流电机的换向由风扇本身的专用集成电路（ASIC）完成。图6显示了4线风扇的拆卸，您可以看到定子、转子和电机控制ASIC。

3线和2线风扇基础
三线制风扇的端子为：

因为没有PWM引脚，所以必须通过直流输入功率的PWM调制来控制风扇的速度。这通过控制通过风扇的电流来改变风扇速度。转速表电路直接由直流电源输入供电，直流电源输入也为电机绕组供电；因此，只有当电机通电时，转速表电路才被启用。因此，只有当PWM占空比处于“打开”状态并且向风扇供电时，才能获得正确的转速表读数。缺少PWM引脚和PWM ON循环期间转速表的测量是3线和4线风扇之间的主要区别。

2线制风扇的端子为：

在这里，必须通过调节风扇的直流功率来调节速度。这种类型的风扇缺少转速表反馈。

3线和2线风扇已经过时，设计师通常使用4线风扇。所选择的键控方案还使4线风扇能够连接到控制板，这些控制板被设计为支持3线风扇（没有PWM速度控制信号）而无需修改。本文的其余部分将集中讨论4线风扇及其控制方法。

4线风扇控制器
风扇控制器可以定义为通过PWM占空比变化读取并控制风扇速度的设备。图7显示了一个简单风扇控制器的框图：

风扇控制器的基本块是PWM、定时器、磁滞比较器和速度控制固件。底层基本块的详细信息如下所示图8.

在需要由单个风扇控制器控制多个风扇的设计中，可以使用多路复用器将转速表信号从风扇多路复用到磁滞比较器/毛刺滤波器块。多路复用器将一次将一个风扇的转速表信号连接到磁滞比较器/毛刺滤波器块。在某些风扇中，转速计信号可能不干净，可能需要磁滞比较器/毛刺滤波器来清理。

计时器将测量经过过滤的转速表信号的频率。其RPM将根据等式1进行计算。计算完风扇1的转速后，将使用多路复用器连接风扇2进行速度测量，并继续执行该序列。通常计时器测量一个周期的时间。

定时器被时钟频率fclock连续递增，并被输入信号finput锁存；即转速表信号的频率。双锁存器使旧计数值能够从新计数值中减去，从而产生每个采样周期的新累积值。方程2显示了测量频率是如何计算的。

fclock的选择方式是，对于必须测量的最低频率/种子，计时器不会溢出。风扇卡住会产生高或低状态，导致计时器溢出。通常情况下，溢流表示风扇卡住。不同的风扇控制器使用具有不同分辨率的PWM来控制风扇。高分辨率将提供更精细的速度控制。PWM分辨率将根据系统要求的速度控制分辨率进行选择。
风扇转速控制
由于公差高，当使用直接PWM方法时，必须控制风扇的速度。可以通过开环和闭环控制来保持风扇的额定转速。

通过开环速度控制，风扇控制器调整PWM占空比，并根据来自主机的命令向主机/主控制器发送风扇速度信息。主机具有所需的速度与占空比信息。主机将使用风扇控制器的实际速度，并调整占空比以达到所需的速度。中的流程图图9图10中的框图说明了速度控制的开环方法。

通过闭环速度控制，风扇控制器通过测量实际速度并相应调整占空比来确保风扇以所需速度运行。在这里，主机为风扇控制器指定所需的速度和公差。闭环速度控制中的一些参数是：

每个PID参数——比例、积分和导数——都以特定的方式影响输出响应。

在快速响应和稳定性之间有一个权衡。一般来说，与具有快速响应时间相比，具有稳定的风扇响应通常更好。这是因为系统的温度不会迅速变化。

像图12显示，由于缺乏积分控制和比例参数的低值，存在巨大的误差。

随着积分控制的引入，误差减少到0，但也存在高过冲，如图13显示。

减少积分参数可减少峰值过冲，因为图14显示。

如中所示图15，随着积分参数的进一步减小，峰值过冲变为零，但稳定时间增加。

比例参数的减小会减慢速度响应，如中所示图16.

积分参数的减少会增加沉降时间，如中所示图17.

PID速度控制可以用固件或硬件逻辑来实现。图18和图19分别显示了硬件和固件的闭环实现。通过闭环速度控制，占空比与RPM的信息以查找表或传递函数的形式存储在风扇控制器中。在闭环速度控制的硬件实现中，速度控制将在硬件中完成，从而将CPU用于其他任务。这种类型的实现用于除风扇控制之外的其他进程需要CPU的设计中。

在闭环速度控制的固件实现中，速度控制是在固件中执行的，并且是CPU密集型的。这种类型的实现用于风扇控制是微控制器执行的主要或唯一过程的设计中。

风扇控制器中还涉及一些其他参数，如下所述。

风扇组在一个风扇组中，多个风扇共享相同的PWM驱动信号；然而，所有单独的转速表反馈信号都连接在单独的端子上，以实现速度测量。

警报风扇控制器中有各种类型的警报。其中最重要的是：

交错PWM在涉及更多风扇的设计中，设计将要求所有风扇不要同时启动。这是为了避免电流消耗的突然增加并减少声学噪声。为了实现这一点，PWM的上升沿交错了一个小延迟。图20显示了14风扇设计中的交错PWM。

SoC（片上系统）架构对风扇控制器设计的适用性
3线或4线风扇的风扇控制是通过MCU中的固件指令实现的，该指令利用定时器驱动的PWM接口来调整PWM周期的占空比并修改风扇的实际速度。当风扇数量超过离散PWM的数量时，通过独立风扇控制进行的控制和优化是有限的。

为了计算实际风扇转速，每个风扇输出一个转速计信号，然后该信号与计时器接口，以确定风扇的转速。虽然在某些应用中，给定风扇的确切RPM并不重要，但该信号在检测风扇失速或转子锁定故障时极其重要。更先进的风扇控制应用程序可以使用这种转速计风扇响应来密切控制系统中的风扇速度，以实现风扇降噪技术或以其他方式将系统中风扇消耗的功率降至最低。

随着新一代片上系统（SoC）处理器的出现，上述所有功能都可以在单个芯片上实现。例如，CypressSemiconductor为不同价位提供入门级、中级和高级风扇控制器MCU组合。该投资组合包括PSoC1、PSoC3、PSoC4和PSoC5系列。

PSoC3和PSoC5的集成可编程逻辑通过实现独立控制多达16个风扇的能力，消除了典型MCU实现可能具有的限制。此外，通过独立控制和监控给定系统中的每个风扇，您可以：

PSoC3和PSoC5可以作为可行的高级风扇控制器，具有硬件实现的闭环速度控制；最多支持16个风扇，可卸载CPU执行其他任务；以及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）。图21显示了使用PSoC3或PSoC5实现的完整风扇控制器系统。

PSoC4是一款入门级的单片机风扇控制器，具有硬件实现的闭环速度控制；支持2至14个风扇；以及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）。图22显示了使用PSoC4实现的完整风扇控制器系统。

图22:具有硬件闭环控制的基于PSoC4的风扇控制器

PSoC1是一款入门级风扇控制器，具有软件实现的闭环速度控制；支持2到8个风扇；以及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）。图23显示了使用PSoC1实现的完整风扇控制器系统。

可以根据成本和其他参数为风扇控制/热管理解决方案选择特定系列的PSoC，如中所述表1.

与现代片上系统（SoC）一起提供的工具，如Cypress的SoC，可以显著简化这些风扇控制系统的开发。例如，PSoC创建者（用于基于PSoC3-、PSoC4-和PSoC5的设计）和PSoC设计器（用于基于PSoC1的设计）使设计者能够快速轻松地开发他们的风扇控制器。库具有系统级模块/组件，这些模块/组件封装了所有必要的硬件块，包括PWM、转速表输入捕获定时器、控制寄存器和状态寄存器，从而减少了开发时间和工作量。这些模块/组件使用易于使用的应用程序编程接口（API）进行访问。API例程允许我们使用固件与组件交互。表2列出并描述了每个功能的接口。

图24上面显示了PSoC Creator的风扇控制器设计向导，以及图25下面显示了PSoC设计器的风扇控制器设计向导。每个组件或用户模块都可以通过图形用户界面进行自定义，使设计者能够输入风扇机电参数，如占空比到RPM映射和物理风扇组组织。性能参数，包括PWM频率和分辨率以及开环或闭环控制方法，可以通过同一用户界面进行配置。

输入系统参数后，组件/用户模块将提供最佳实施，节省PSoC设备内的资源，并将其他热管理和系统管理功能集成到同一MCU上。提供了易于使用的API，使固件开发人员能够快速启动和运行。

森吉·昆玛目前是赛普拉斯半导体公司的员工应用工程师。他拥有印度金奈金迪工程学院电子与通信学士学位。他的兴趣包括用C语言和汇编语言设计嵌入式系统应用程序，处理模拟和数字电路，用C#开发用户界面，以及设计家用机器人。你可以跟着他走博客.

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