【導讀】系統冷卻/熱管理已成為所有高性能電子系統的關鍵任務。通常采用強制對流方式來實現熱管理。強制對流方式通過轉移熱源內部及周圍的空氣來提高散熱。采用無刷直流（BLDC）風扇能夠輕松實現上述目的。
我們已經進入需要高性能和電路小型化的電子產品革命時代。電子系統性能的提高和尺寸的縮小已經導致功耗與散熱的增加。因此，從個人電腦到高端服務器的不同解決方案頻頻出現熱管理問題。系統冷卻/熱管理已成為所有高性能電子系統的關鍵任務。通常采用強制對流方式來實現熱管理。強制對流方式通過轉移熱源內部及周圍的空氣來提高散熱。采用無刷直流（BLDC）風扇能夠輕松實現上述目的。此類風扇的轉速取決于其RMS電壓。
通過全速運行風扇可以實現熱管理，但是風扇的高轉速會導致以下問題：
● 提高可聞噪聲
● 增加功耗
● 縮短使用壽命（機械磨損）
● 增加堵塞（集塵）
然而，風扇低于所需轉速運行時又會導致冷卻不足，從而造成組件過熱。過熱會造成組件故障。為了解決此類問題，必須根據環境條件（即：溫度）控制風扇轉速。
風扇轉速可采用以下方式控制：
1. 直接PWM →通過提高或降低用于控制轉速的脈寬（即：改變占空比）可以實現脈寬調制（PWM）。
2. 線性調節→線性調節器可以控制風扇的直流電壓，進而控制風扇轉速。
3. DC-DC調節→此方式與線性調節大同小異，其區別是采用開關調節器替代線性調節器。
直接PWM方法因其具有低功耗、低成本、易于設計等優勢，較為常用。熱管理所用BLDC風扇大部分為4線，而部分老式設計為3線和2線。
4 線風扇
此類BLDC風扇的四根線分別用于供電、接地、轉速表輸出和PWM輸入。典型4線無刷直流風扇如圖1所示。
圖1：典型4線直流風扇
4線直流風扇包含霍爾效應傳感器，其可以感測轉子轉動時產生的旋轉磁場。霍爾效應傳感器的輸出為脈沖串，其周期與風扇轉速成反比。每轉產生的脈沖數量取決于風扇極數。就最常見的4極無刷直流風扇而言，霍爾效應傳感器的轉速表輸出在每轉會產生2個脈沖。如果風扇由于機械或其他故障而停止轉動，則轉速表輸出信號穩定到某個邏輯低電平或高電平。此類風扇轉速單位為每分鐘轉數（RPM）。此類風扇的轉速表輸出如圖2所示。
圖2：風扇轉速表輸出
風扇采用標準尺寸，一般為40毫米、80毫米和120毫米。為冷卻應用挑選風扇時，最重要的考慮指標是風扇的排風量。排風量一般用每分鐘立方英尺（CFM）或每分鐘立方米（m3/分鐘）來衡量。風扇葉片的尺寸、形狀和槳距都會影響風扇的排風量。小風扇在給定時間內排除相同空氣需要以比大風扇更高的轉速運行。
空間受限以及由于物理尺寸限制而需要更小風扇的應用所產生的噪聲會明顯增強。
為了控制產生噪聲，可以配置風扇控制器以盡可能低的轉速驅動風扇，同時將工作溫度保持在安全限制范圍內。與始終全速運行風扇的系統相比，這種方法還可以延長風扇的使用壽命。
風扇制造商在其數據表中指定占空比與RPM關系，其容差高達±20%。為了確保風扇以預期轉速運行，系統設計人員需要以比額定值高20%的轉速運行風扇，以確保制造商供應的所有風扇都能夠提供足夠的冷卻。這樣可能導致噪聲過高和功耗增加。
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風扇制造商會規定PWM占空比與額定風扇轉速的關系，并通過數據點表格或關系圖顯示。圖3舉例說明此類信息，其中橫軸顯示PWM控制占空比（%），而縱軸顯示RPM風扇轉速。
圖3：占空比與速度關系圖
值得注意的是，在PWM引腳的低占空比狀態下，所有風扇的表現并不一致。某些風扇在PWM引腳占空比接近0%時會停止旋轉，而有些風扇此時仍繼續轉動。這兩種情況下，占空比與RPM關系可能是非線性關系，也可能是并未指定。同樣，兩臺相同風扇在相同占空比情況下轉速可能不同。在利用占空比與RPM信息時，應當使用線性區中明確限定風扇行為的兩個數據點。從圖4可以看出，PWM占空比為0情況下轉速并非0。圖4另外說明，對于給定的PWM占空比，相同風扇具有不同轉速。
圖4：相同風扇轉速與占空比對比
風扇電纜與連接器
在布線層面，制造商的電線色碼并不一致，但是會采用標準的連接器引腳分配。圖5顯示連接器底視圖。請注意：連接器帶有鍵控，以防錯誤插入風扇控制器板。一般4線風扇是配備永磁轉子和電磁定子的BLDC電機，而BLDC電機的整流由風扇本身的專用集成電路（ASIC）執行。圖6顯示了4線風扇的拆卸組件，其中可以看到定子、轉子與電機控制ASIC。
圖5：4線直流風扇連接器引腳分配
圖6：4線風扇拆卸
3 線與2 線風扇
3線風扇端子包括：
1. 直流輸入電源（12V、24V或48V）；
2. 接地；
3. 轉速表輸出。
由于PWM引腳不可用，因此風扇轉速必須通過直流輸入電源的PWM調制進行控制，PWM調制可以通過控制風扇的電流來改變風扇轉速。轉速表電路直接通過直流電源輸入供電。該直流電源輸入還可為電機繞組供電；因此，只有在電機通電情況下才會啟動轉速表電路。從而，只有在PWM占空比處于“開啟”狀態并且風扇已經通電情況下才能夠獲得正確的轉速表讀數。3線風扇與4線風扇具有不同的PWM引腳可用性和PWM ON周期轉速表測量值。2線風扇端子包括：
1. 直流輸入電源（12V、24V或48V）；
2. 接地。
這里必須通過調節風扇的直流電源來調節轉速，而此類風扇沒有轉速表反饋信息。
3線和2線風扇已過時，而設計人員現在一直采用4線風扇。另外，所選用的鍵控方案使4線風扇無需修改就能夠連接到旨在支持3線風扇（無PWM轉速控制信號）的控制板。本文重點介紹4線風扇及其控制方法。
4 線風扇控制器
簡而言之，風扇控制器可以定義為能夠根據PWM占空比變化讀取并控制風扇轉速的器件。圖7顯示簡單風扇控制器的方框圖。
圖7：風扇控制器方框圖
風扇控制器的基本模塊包括PWM、磁滯比較器和轉速控制固件。基本模塊詳細說明如下。
在必須采用單個風扇控制器控制多臺風扇的設計中采用多路復用器將來自風扇的轉速表信號多路傳輸到磁滯比較器/干擾濾波器模塊。多路復用器一次會將一臺風扇的轉速表信號連接到磁滯比較器/干擾濾波器模塊。某些風扇中的轉速表信號可能存在干擾，因此可能需要磁滯比較器/干擾濾波器來去除干擾。
定時器用于測量濾波后轉速表信號的頻率，可以根據等式1計算出RPM值。計算出風扇1的RPM值后，通過多路復用器連接風扇2進行轉速測量，然后繼續此過程。通常定時器測量一個周期的時間。
圖8：頻率計數器
定時器按時鐘頻率fclock持續增加，并且由輸入信號finput（即：轉速表信號的頻率）鎖存。雙鎖存器能夠從新的計數值減去奇數計數值，從而獲得各個采樣周期的新累加值。式2說明如何計算測得的頻率。
fclock 的選擇方式可以確保定時器針對必須從風扇測量的最低頻率/種子值不會溢出。卡死風扇（Stuck Fan）會造成高電平或低電平狀態，從而導致定時器溢出。通常溢出視為風扇卡死的信號。不同風扇控制器采用具有不同分辨率的PWM來控制風扇。高分辨率可以提供更精細的轉速控制。PWM分辨率可以根據系統需要的轉速控制分辨率進行選擇。可以根據控制風扇所需要的占空比步階精度確定PWM分辨率。
風扇轉速控制
由于需要控制的風扇轉速容差較大，在采用直接PWM方法的情況下可以通過開環和閉環保持風扇額定轉速。
在開環轉速控制中，風扇控制器可調節PWM占空比，并可根據主機的指令將風扇轉速信息發送到主機/主控制器。此時，主機獲得預期轉速與占空比信息，并將從風扇控制器讀取實際轉速，然后命令風扇控制器調節占空比轉速信息，以達到預期轉速。圖9所示流程圖以及圖10所示方框圖代表開環轉速控制方法。
圖9：開環轉速控制
圖10：執行開環轉速控制的風扇控制器
在閉環轉速控制中，風扇控制器通過測量實際轉速和相應調節占空比來確保風扇以預期轉速運行。此時主機會指定風扇控制器的預期轉速和容差。閉環轉速控制中的部分參數包括：
1. 預期轉速——主機希望風扇運行的轉速。
2. 實際轉速——例如，風扇的數據表說明其在占空比1時以RPM1運行，但是由于容差較大，風扇實際會以RPM1 ±△運行。RPM1 ±△為風扇的實際轉速，RPM1為風扇的預期轉速。實際上，由于風扇的磨損和老化，△值會顯著提高。
3. 容差——此參數規定設置預期風扇轉速目標時的可接受容差。容差設定為預期轉速設置值的百分比。閉環控制的容差定義如下。
4. 比例、積分、微分（PID）參數——PID參數可以影響風扇響應轉速變更請求的方式。可以針對上升時間、峰值超調量、穩態誤差和穩定性分析相關輸出響應。PID常數的正確調節能夠提供適合某項應用的最佳組合。圖11顯示的是PID閉環轉速控制。
圖11：閉環風扇PID轉速控制
每個PID參數（比例、積分與微分）都會以特定方式影響輸出響應。
■ 比例參數有助于實現更快速的響應，但是異常高的值會導致超調量過大和不穩定。
■ 積分參數與比例參數類似，但它的一個主要優勢是可使穩態誤差為零。不過，高積分參數會導致超調量過大。
■ 微分參數有助于降低超調量與建立時間。它通常為最小化，因為它會放大誤差信號的噪聲，從而導致不穩定性。
需要在快速響應和穩定性之間進行權衡。在風扇控制器應用中，保持穩定的風扇響應通常比獲得快速響應時間更有利，因為系統溫度并不會迅速改變。
圖12表明，缺乏積分控制以及比例參數值較低會導致巨大誤差。
圖12：PID調節，P = 30, I = 0, D=0
在引入積分控制后誤差降低到0，但仍然存在超調量過大的問題，如圖13所示。
圖14 PID調節，P = 30, I = 20, D = 0
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如圖15所示，隨著積分參數的進一步降低，峰值超調量變為0，但穩定時間也隨之增加。
圖16：PID調節，P = 15, I = 5, D = 0
積分參數的降低會增加建立時間，如圖17所示。
圖17：PID調節，P = 15, I = 2, D = 0
PID轉速控制可以在固件或硬件邏輯中實現，圖18與圖19分別顯示了硬件與固件中的閉環實現。在閉環轉速控制中，占空比與RPM信息以查詢表或傳遞函數的方式保存在風扇控制器。在閉環轉速控制的硬件實現中，轉速控制將在硬件中執行，從而能夠釋放CPU用于執行其它任務。在需要將CPU用于除風扇控制之外的其它進程的設計中會采用這種實現方式。
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圖18：硬件中的閉環實現
在閉環轉速控制的固件實現中，轉速控制是在固件中執行，而且需要占用大量CPU。在風扇控制是微控制器執行的主要進程或唯一進程的設計中會采用這種實現方式。
19：固件中的閉環實現
風扇控制器還涉及幾個其它參數，如下所示。
風扇組
在風扇組中，多個風扇共享相同的PWM驅動信號；不過，所有的單獨轉速表反饋信號都連接到單獨端子，以實現轉速測量。
告警
風扇控制器存在各種告警信號。其中最重要的是：
1. 風扇故障告警
風扇停轉（風扇不轉）時生成此告警。
2. 轉速調節故障告警
在自動控制算法無法使風扇達到預期轉速時會出現轉速調節故障。當PWM驅動已經設置為100%但實際轉速仍然低于預期轉速時，也會出現此故障。此外，當PWM驅動已經設置為0%但實際轉速仍然高于預期轉速時，也會出現此故障。在現實應用中，這可能意味著風扇出現了某種機械故障而且無法再以額定轉速運行。
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交錯PWM
在涉及更多風扇的設計中，為了避免電流消耗激增并降低噪聲，相關設計會要求禁止一次性啟動所有風扇。為此，此類PWM會讓其上升沿以低延遲交錯。圖20顯示了含14臺風扇的設計所采用的交錯PWM。
圖20：含14臺風扇的設計所采用的交錯PWM
風扇控制器設計片上系統（SoC）架構的適用性
3線或4線風扇的控制是通過MCU中的固件指令來實現的——該MCU采用定時器驅動的PWM接口調節PWM周期的占空比和修改實際風扇轉速。一旦風扇數量超過分立PWM的數量，則會限制基于獨立風扇控制的控制與優化。
為了計算實際風扇轉速，每臺風扇都會輸出一個轉速表信號，然后將該信號連接到定時器，以確定風扇的RPM轉速。盡管某些應用不一定在意給定風扇的準確RPM，但是該信號對檢測風扇停轉或轉子鎖定故障至關重要。此外，更先進的風扇控制應用還可將這種轉速表風扇響應信息用于嚴密控制系統中的風扇轉速，以實現風扇降噪技術或者盡可能地降低系統中風扇的功耗。
采用新一代片上系統（SoC）可以在單個芯片上實現所有上述功能，賽普拉斯半導體公司可以提供各種價位的風扇控制器解決方案產品組合（入門級、中級和高級）。相關產品組合包括PSoC 1、PSoC 3、PSoC4與PSoC 5系列。
由于能夠獨立控制最多16臺風扇，PSoC 3與PSoC 5器件基于可編程邏輯的解決方案可以消除典型MCU實現的約束。此外，由于能夠對給定系統中的每臺風扇進行獨立控制和監控，因此您能夠：
● 實現基于硬件/邏輯的閉環轉速控制；
● 針對系統維持目標溫度的具體需求來優化每臺風扇的轉速，進而控制噪聲與能耗水平；
● 實現先進的預測風扇故障與風扇老化算法。
由于采用硬件實現的閉環轉速控制以及能夠支持高達16臺風扇以及為其它任務釋放CPU，用于溫度測量的可配置模擬資源（RTD、熱敏電阻、熱電偶和溫度二極管）使PSoC3/5成為賽普拉斯半導體公司的高級風扇控制器解決方案產品。圖21顯示了采用PSoC 3或PSoC 5實現的完整風扇控制器系統。
圖21：采用硬件閉環控制、基于PSoC3或PSoC 5的風扇控制器。
由于采用硬件實現的閉環轉速控制以及能夠支持2~14臺風扇，用于溫度測量的可配置模擬資源（RTD、熱敏電阻、熱電偶和溫度二極管）使PSoC4成為賽普拉斯半導體公司的入門級風扇控制器解決方案產品。圖22顯示了采用PSoC4實現的完整風扇控制器系統。
圖22：采用硬件閉環控制、基于PSoC4的風扇控制器
由于采用軟件實現的閉環轉速控制以及能夠支持2~8臺風扇，用于溫度測量的可配置模擬資源（RTD、熱敏電阻、熱電偶和溫度二極管）使PSoC1成為賽普拉斯半導體公司的入門級風扇控制器解決方案產品。圖23顯示了采用PSoC1實現的完整風扇控制器系統。
圖23：采用軟件閉環控制、基于PSoC1的風扇控制器
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可以根據表1所示成本與其它參數確定風扇控制/熱管理解決方案的具體PSoC系列選型。
表1：PSoC熱管理解決方案
隨著賽普拉斯PSoC等現代片上系統（SoC）配套提供的工具能夠顯著簡化這些風扇控制系統的開發。PSoC creator是面向基于PSoC 3、PSoC 4和PSoC 5的設計的工具。PSoC designer是面向基于PSoC 1的設計的工具。PSoC creator和PSoC designer提供的IP使設計人員能夠用PSoC快速輕松地開發風扇控制器解決方案。這些IP是封裝所有必要硬件模塊的系統級解決方案，其中包括PWM、轉速表輸入捕獲定時器、控制寄存器和狀態寄存器，因此能夠縮短開發時間和減少開發工作。這些IP在PSoC designer中稱為用戶模塊，在PSoC creator中稱為組件。它們可提供易于使用的應用程序接口（API）。API程序使我們能夠通過固件與組件互動。表2列出并說明各個函數的接口。
表2：易于使用的API
圖24：用于PSoC 3、PSoC 4與PSoC 5設計的PSoC Creator風扇控制器設計向導
圖25：用于PSoC 1設計的PSoC Designer風扇控制器向導
通過圖形用戶界面可以定制相關組件或用戶模塊，以便設計人員輸入風扇機電參數，例如占空比-RPM映射和物理風扇組構造。通過相同用戶界面可以配置性能參數，包括PWM頻率與分辨率以及開環或閉環控制方法。在輸入系統參數之后，組件/用戶模塊可以提供能夠節約PSoC內部資源的最佳實現方案，以便集成其它熱管理及系統管理功能。提供的易于使用的API使固件開發人員能夠快速啟動和運行。圖24顯示的是PSoC Creator的風扇控制器設計向導，圖25顯示的是PSoC Designer的風扇控制器設計向導。
總之，采用賽普拉斯半導體公司的PSoC作為風扇控制器能夠簡化設計，縮短設計時間和節約成本。上述解決方案實例展示了片上系統如何簡化風扇控制器設計。
