咱们现已进入需求高功用和电路小型化的电子产品革新年代。电子体系功用的进步和尺度的缩小现已导致功耗与散热的添加。因而，从个人电脑到高端服务器的不同处理计划一再呈现热办理问题。体系冷却/热办理已成为一切高功用电子体系的要害使命。一般选用强制对流办法来完成热办理。强制对流办法经过搬运热源内部及周围的空气来进步散热。选用无刷直流(BLDC)电扇可以轻松完成上述意图。此类电扇的转速取决于其RMS电压。
经过全速运转电扇可以完成热办理，可是电扇的高转速会导致以下问题：
● 进步可闻噪声
● 添加功耗
● 缩短运用寿命(机械磨损)
● 添加阻塞(集尘)
可是，电扇低于所需转速运转时又会导致冷却缺少，然后形成组件过热。过热会形成组件毛病。为了处理此类问题，有必要依据环境条件(即：温度)操控电扇转速。
电扇转速可选用以下办法操控：
1. 直接PWM →经过进步或下降用于操控转速的脉宽(即：改动占空比)可以完成脉宽调制(PWM)。
2. 线性调理→线性调理器可以操控电扇的直流电压，然后操控电扇转速。
3. DC-DC调理→此办法与线性调理迥然不同，其区别是选用开关调理器代替线性调理器。
直接PWM办法因其具有低功耗、低本钱、易于规划等优势，较为常用。热办理所用BLDC电扇大部分为4线，而部分旧式规划为3线和2线。
4 线电扇
此类BLDC电扇的四根线别离用于供电、接地、转速表输出和PWM输入。典型4线无刷直流电扇如图1所示。
图1：典型4线直流电扇
4线直流电扇包含霍尔效应传感器，其可以感测转子滚动时发生的旋转磁场。霍尔效应传感器的输出为脉冲串，其周期与电扇转速成反比。每转发生的脉冲数量取决于电扇极数。就最常见的4极无刷直流电扇而言，霍尔效应传感器的转速表输出在每转会发生2个脉冲。假如电扇因为机械或其他毛病而中止滚动，则转速表输出信号安稳到某个逻辑低电平或高电平。此类电扇转速单位为每分钟转数(RPM)。此类电扇的转速表输出如图2所示。
图2：电扇转速表输出
电扇选用规范尺度，一般为40毫米、80毫米和120毫米。为冷却运用挑选电扇时，最重要的考虑方针是电扇的排风量。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。电扇叶片的尺度、形状和桨距都会影响电扇的排风量。小电扇在给守时刻内扫除相同空气需求以比大电扇更高的转速运转。
空间受限以及因为物理尺度束缚而需求更小电扇的运用所发生的噪声会显着增强。
为了操控发生噪声，可以装备电扇操控器以尽或许低的转速驱动电扇，一起将作业温度坚持在安全束缚范围内。与一向全速运转电扇的体系比较，这种办法还可以延伸电扇的运用寿命。
电扇制作商在其数据表中指定占空比与RPM联系，其容差高达±20%。为了保证电扇以预期转速运转，体系规划人员需求以比额外值高20%的转速运转电扇，以保证制作商供给的一切电扇都可以供给满足的冷却。这样或许导致噪声过高和功耗添加。
电扇制作商会规则PWM占空比与额外电扇转速的联系，并经过数据点表格或联系图显现。图3举例阐明此类信息，其间横轴显现PWM操控占空比(%)，而纵轴显现RPM电扇转速。
图3：占空比与速度联系图
值得注意的是，在PWM引脚的低占空比状况下，一切电扇的体现并不共同。某些电扇在PWM引脚占空比挨近0%时会中止旋转，而有些电扇此刻仍继续滚动。这两种情况下，占空比与RPM联系或许是非线性联系，也或许是并未指定。相同，两台相同电扇在相同占空比情况下转速或许不同。在运用占空比与RPM信息时，应当运用线性区中清晰束缚电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别的阐明，关于给定的PWM占空比，相同电扇具有不同转速。
图4：相同电扇转速与占空比比照
电扇电缆与衔接器
在布线层面，制作商的电线色码并不共同，可是会选用规范的衔接器引脚分配。图5显现衔接器底视图。请注意：衔接器带有键控，以防过错刺进电扇操控器板。一般4线电扇是装备永磁转子和电磁定子的BLDC电机，而BLDC电机的整流由电扇自身的专用集成电路(ASIC)履行。图6显现了4线电扇的拆开组件，其间可以看到定子、转子与电机操控ASIC。
图5：4线直流电扇衔接器引脚分配
图6：4线电扇拆开
3 线与2 线电扇
3线电扇端子包含：
1. 直流输入电源(12V、24V或48V);
2. 接地;
3. 转速表输出。
因为PWM引脚不可用，因而电扇转速有必要经过直流输入电源的PWM调制进行操控，PWM调制可以经过操控电扇的电流来改动电扇转速。转速表电路直接经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;因而，只要在电机通电情况下才会发动转速表电路。然后，只要在PWM占空比处于“敞开”状况并且电扇现已通电情况下才可以取得正确的转速表读数。3线电扇与4线电扇具有不同的PWM引脚可用性和PWM ON周期转速表丈量值。2线电扇端子包含：
1. 直流输入电源(12V、24V或48V);
2. 接地。
这儿有必要经过调理电扇的直流电源来调理转速，而此类电扇没有转速表反应信息。
3线和2线电扇已过期，而规划人员现在一向选用4线电扇。别的，所选用的键控计划使4线电扇无需修正就可以衔接到旨在支撑3线电扇(无PWM转速操控信号)的操控板。本文要点介绍4线电扇及其操控办法。
4 线电扇操控器
简而言之，电扇操控器可以界说为可以依据PWM占空比改动读取并操控电扇转速的器材。图7显现简略电扇操控器的方框图。
图7：电扇操控器方框图
电扇操控器的根本模块包含PWM、磁滞比较器和转速操控固件。根本模块详细阐明如下。
在有必要选用单个电扇操控器操控多台电扇的规划中选用多路复用器将来自电扇的转速表信号多路传输到磁滞比较器/搅扰滤波器模块。多路复用器一次会将一台电扇的转速表信号衔接到磁滞比较器/搅扰滤波器模块。某些电扇中的转速表信号或许存在搅扰，因而或许需求磁滞比较器/搅扰滤波器来去除搅扰。
守时器用于丈量滤波后转速表信号的频率，可以依据等式1核算出RPM值。核算出电扇1的RPM值后，经过多路复用器衔接电扇2进行转速丈量，然后继续此进程。一般守时器丈量一个周期的时刻。
图8：频率计数器
守时器按时钟频率fclock继续添加，并且由输入信号finput(即：转速表信号的频率)锁存。双锁存器可以重新的计数值减去奇数计数值，然后取得各个采样周期的新累加值。式2阐明怎么核算测得的频率。
fclock 的挑选办法可以保证守时器针对有必要从电扇丈量的最低频率/种子值不会溢出。卡死电扇(Stuck Fan)会形成高电平或低电平状况，然后导致守时器溢出。一般溢出视为电扇卡死的信号。不同电扇操控器选用具有不同分辨率的PWM来操控电扇。高分辨率可以供给更精密的转速操控。PWM分辨率可以依据体系需求的转速操控分辨率进行挑选。可以依据操控电扇所需求的占空比步阶精度确认PWM分辨率。
电扇转速操控
因为需求操控的电扇转速容差较大，在选用直接PWM办法的情况下可以经过开环和闭环坚持电扇额外转速。
在开环转速操控中，电扇操控器可调理PWM占空比，并可依据主机的指令将电扇转速信息发送到主机/主操控器。此刻，主机取得预期转速与占空比信息，并将从电扇操控器读取实践转速，然后指令电扇操控器调理占空比转速信息，以到达预期转速。图9所示流程图以及图10所示方框图代表开环转速操控办法。
图9：开环转速操控
图10：履行开环转速操控的电扇操控器
在闭环转速操控中，电扇操控器经过丈量实践转速和相应调理占空比来保证电扇以预期转速运转。此刻主机会指定电扇操控器的预期转速和容差。闭环转速操控中的部分参数包含：
1. 预期转速——主机期望电扇运转的转速。
2. 实践转速——例如，电扇的数据表阐明其在占空比1时以RPM1运转，可是因为容差较大，电扇实践会以RPM1 ±△运转。RPM1 ±△为电扇的实践转速，RPM1为电扇的预期转速。实践上，因为电扇的磨损和老化，△值会明显进步。
3. 容差——此参数规则设置预期电扇转速方针时的可接受容差。容差设定为预期转速设置值的百分比。闭环操控的容差界说如下。
4. 份额、积分、微分(PID)参数——PID参数可以影响电扇呼应转速改动恳求的办法。可以针对上升时刻、峰值超调量、稳态差错和安稳性剖析相关输出呼应。PID常数的正确调理可以供给合适某项运用的最佳组合。图11显现的是PID闭环转速操控。
图11：闭环电扇PID转速操控
每个PID参数(份额、积分与微分)都会以特定办法影响输出呼应。
■ 份额参数有助于完成更快速的呼应，可是反常高的值会导致超调量过大和不安稳。
■ 积分参数与份额参数相似，但它的一个首要优势是可使稳态差错为零。不过，高积分参数会导致超调量过大。
■ 微分参数有助于下降超调量与树立时刻。它一般为最小化，因为它会扩大差错信号的噪声，然后导致不安稳性。
需求在快速呼应和安稳性之间进行权衡。在电扇操控器运用中，坚持安稳的电扇呼应一般比取得快速呼应时刻更有利，因为体系温度并不会敏捷改动。
图12标明，缺少积分操控以及份额参数值较低会导致巨大差错。
图12：PID调理，P = 30, I = 0, D=0
在引进积分操控后差错下降到0，但依然存在超调量过大的问题，如图13所示。
图13：PID调理，P = 30, I = 30, D = 0
下降积分参数可以下降峰值超调量，如图14.所示。
图14 PID调理，P = 30, I = 20, D = 0
如图15所示，跟着积分参数的进一步下降，峰值超调量变为0，但安稳时刻也随之添加。
图15：PID调理，P = 30, I = 5, D = 0
份额参数的下降会减缓转速呼应，如图16所示。
图16：PID调理，P = 15, I = 5, D = 0
积分参数的下降会添加树立时刻，如图17所示。
图17：PID调理，P = 15, I = 2, D = 0
PID转速操控可以在固件或硬件逻辑中完成，图18与图19别离显现了硬件与固件中的闭环完成。在闭环转速操控中，占空比与RPM信息以查询表或传递函数的办法保存在电扇操控器。在闭环转速操控的硬件完成中，转速操控将在硬件中履行，然后可以开释CPU用于履行其它使命。在需求将CPU用于除电扇操控之外的其它进程的规划中会选用这种完成办法。
图18：硬件中的闭环完成
在闭环转速操控的固件完成中，转速操控是在固件中履行，并且需求占用很多CPU。在电扇操控是微操控器履行的首要进程或仅有进程的规划中会选用这种完成办法。
图19：固件中的闭环完成
电扇操控器还触及几个其它参数，如下所示。
电扇组
在电扇组中，多个电扇同享相同的PWM驱动信号;不过，一切的独自转速表反应信号都衔接到独自端子，以完成转速丈量。
告警
电扇操控器存在各种告警信号。其间最重要的是：
1. 电扇毛病告警
电扇停转(电扇不转)时生成此告警。
2. 转速调理毛病告警
在自动操控算法无法使电扇到达预期转速时会呈现转速调理毛病。当PWM驱动现已设置为100%但实践转速依然低于预期转速时，也会呈现此毛病。此外，当PWM驱动现已设置为0%但实践转速依然高于预期转速时，也会呈现此毛病。在实践运用中，这或许意味着电扇呈现了某种机械毛病并且无法再以额外转速运转。
交织PWM
在触及更多电扇的规划中，为了防止电流耗费激增并下降噪声，相关规划会要求制止一次性发动一切电扇。为此，此类PWM会让其上升沿以低推迟交织。图20显现了含14台电扇的规划所选用的交织PWM。
图20：含14台电扇的规划所选用的交织PWM
电扇操控器规划片上体系(SoC)架构的适用性
3线或4线电扇的操控是经过MCU中的固件指令来完成的——该MCU选用守时器驱动的PWM接口调理PWM周期的占空比和修正实践电扇转速。一旦电扇数量超越分立PWM的数量，则会束缚依据独立电扇操控的操控与优化。
为了核算实践电扇转速，每台电扇都会输出一个转速表信号，然后将该信号衔接到守时器，以确认电扇的RPM转速。虽然某些运用不一定介意给定电扇的精确RPM，可是该信号对检测电扇停转或转子确认毛病至关重要。此外，更先进的电扇操控运用还可将这种转速表电扇呼应信息用于紧密操控体系中的电扇转速，以完成电扇降噪技能或许尽或许地下降体系中电扇的功耗。
选用新一代片上体系(SoC)可以在单个芯片上完成一切上述功用，赛普拉斯半导体公司可以供给各种价位的电扇操控器处理计划产品组合(入门级、中级和高档)。相关产品组合包含PSoC 1、PSoC 3、PSoC4与PSoC 5系列。
因为可以独立操控最多16台电扇，PSoC 3与PSoC 5器材依据可编程逻辑的处理计划可以消除典型MCU完成的束缚。此外，因为可以对给定体系中的每台电扇进行独立操控和监控，因而您可以：
● 完成依据硬件/逻辑的闭环转速操控;
● 针对体系保持方针温度的详细需求来优化每台电扇的转速，然后操控噪声与能耗水平;
● 完成先进的猜测电扇毛病与电扇老化算法。
因为选用硬件完成的闭环转速操控以及可以支撑高达16台电扇以及为其它使命开释CPU，用于温度丈量的可装备模仿资源(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档电扇操控器处理计划产品。图21显现了选用PSoC 3或PSoC 5完成的完好电扇操控器体系。
图21：选用硬件闭环操控、依据PSoC3或PSoC 5的电扇操控器。
因为选用硬件完成的闭环转速操控以及可以支撑2~14台电扇，用于温度丈量的可装备模仿资源(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电扇操控器处理计划产品。图22显现了选用PSoC4完成的完好电扇操控器体系。
图22：选用硬件闭环操控、依据PSoC4的电扇操控器
因为选用软件完成的闭环转速操控以及可以支撑2~8台电扇，用于温度丈量的可装备模仿资源(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电扇操控器处理计划产品。图23显现了选用PSoC1完成的完好电扇操控器体系。
图23：选用软件闭环操控、依据PSoC1的电扇操控器
可以依据表1所示本钱与其它参数确认电扇操控/热办理处理计划的详细PSoC系列选型。
表1：PSoC热办理处理计划
跟着赛普拉斯PSoC等现代片上体系(SoC)配套供给的东西可以明显简化这些电扇操控体系的开发。PSoC creator是面向依据PSoC 3、PSoC 4和PSoC 5的规划的东西。PSoC designer是面向依据PSoC 1的规划的东西。PSoC creator和PSoC designer供给的IP使规划人员可以用PSoC快速轻松地开发电扇操控器处理计划。这些IP是封装一切必要硬件模块的体系级处理计划，其间包含PWM、转速表输入捕获守时器、操控寄存器和状况寄存器，因而可以缩短开发时刻和削减开发作业。这些IP在PSoC designer中称为用户模块，在PSoC creator中称为组件。它们可供给易于运用的运用程序接口(API)。API程序使咱们可以经过固件与组件互动。表2列出并阐明各个函数的接口。
表2：易于运用的API
图24：用于PSoC 3、PSoC 4与PSoC 5规划的PSoC Creator电扇操控器规划导游
图25：用于PSoC 1规划的PSoC Designer电扇操控器导游
经过图形用户界面可以定制相关组件或用户模块，以便规划人员输入电扇机电参数，例如占空比-RPM映射和物理电扇组结构。经过相同用户界面可以装备功用参数，包含PWM频率与分辨率以及开环或闭环操控办法。在输入体系参数之后，组件/用户模块可以供给可以节省PSoC内部资源的最佳完成计划，以便集成其它热办理及体系办理功用。供给的易于运用的API使固件开发人员可以快速发动和运转。图24显现的是PSoC Creator的电扇操控器规划导游，图25显现的是PSoC Designer的电扇操控器规划导游。
总归，选用赛普拉斯半导体公司的PSoC作为电扇操控器可以简化规划，缩短规划时刻和节省本钱。上述处理计划实例展现了片上体系怎么简化电扇操控器规划。
参考资料
1. AN66627 – PSoC 3与PSoC 5LP智能电扇操控器。
2. PSoC智能电扇操控器视频。
3. AN89346 – PSoC 4智能电扇操控器。
4. AN78692 – PSoC 1 – 智能电扇操控器。
5. 用于BLDC电扇的PSoC热办理扩大板套件。
6. 赛普拉斯热办理处理计划。
