我们已确定进入需要高性能和电路小型化的电子科技类产品革命时代。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。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)风扇能够轻轻松松实现上述目的。此类风扇的转速取决于其RMS电压。

　　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。未解决此类问题，必须依据环境条件(即：温度)控制风扇转速。

　　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)能轻松实现脉宽调制(PWM)。

　　2. 线性调节线性调节器能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线线 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线线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。

　　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。

　　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能够准确的看出，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，相同风扇具有不一样转速。

　　在布线层面，制造商的电线色码并不一致，但是会采用标准的连接器引脚分配。图5显示连接器底视图。请注意：连接器带有键控，以防错误插入

　　由于PWM引脚不可用，因此风扇转速一定要通过直流输入电源的PWM调制来控制，PWM调制能够最终靠控制风扇的电流来改变风扇转速。转速表电路直接通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;因此，只有在电机通电情况下才会启动转速表电路。从而，只有在PWM占空比处于“开启”状态并且风扇已经通电情况下才能轻松的获得正确的转速表读数。3线线风扇具有不一样的PWM引脚可用性和PWM ON周期转速表测量值。2线. 接地。

　　风扇控制器的基本模块包括PWM、磁滞比较器和转速控制固件。基本模块详细说明如下。

　　在必须采用单个风扇控制器控制多台风扇的设计中采用多路复用器将来自风扇的转速表信号多路传输到磁滞比较器/干扰滤波器模块。多路复用器一次会将一台风扇的转速表信号连接到磁滞比较器/干扰滤波器模块。某些风扇中的转速表信号有几率存在干扰，因此在大多数情况下要磁滞比较器/干扰滤波器来去除干扰。

　　定时器用于测量滤波后转速表信号的频率，能够准确的通过等式1计算出RPM值。计算出风扇1的RPM值后，通过多路复用器连接风扇2进行转速测量，然后继续此过程。通常定时器测量一个周期的时间。

　　定时器按时钟频率fclock持续增加，并且由输入信号finput(即：转速表信号的频率)锁存。双锁存器能够从新的计数值减去奇数计数值，从而获得各个采样周期的新累加值。式2说明如何计算测得的频率。

　　fclock 的选择方式能确保定时器针对必须从风扇测量的最低频率/种子值不会溢出。卡死风扇(Stuck Fan)会造成高电平或低电平状态，因此导致定时器溢出。通常溢出视为风扇卡死的信号。不同风扇控制器采用具有不一样分辨率的PWM来控制风扇。高分辨率能够给大家提供更精细的转速控制。PWM分辨率能够准确的通过系统要的转速控制分辨率做出合理的选择。能够准确的通过控制风扇所需要的占空比步阶精度确定PWM分辨率。

　　在开环转速控制中，风扇控制器可调节PWM占空比，并可根据主机的指令将风扇转速信息发送到主机/主控制器。此时，主机获得预期转速与占空比信息，并将从风扇控制器读取实际转速，然后命令风扇控制器调节占空比转速信息，以达到预期转速。图9所示流程图以及图10所示方框图代表开环转速控制方法。

　　如图15所示，随着积分参数的逐步降低，峰值超调量变为0，但稳定时间也随之增加。

　　PID转速控制可以在固件或硬件逻辑中实现，图18与图19分别显示了硬件与固件中的闭环实现。在闭环转速控制中，占空比与RPM信息以查询表或传递函数的方式保存在风扇控制器。在闭环转速控制的硬件实现中，转速控制将在硬件中执行，从而能释放CPU用于执行其它任务。在需要将CPU用于除风扇控制之外的其它进程的设计中会采用这种实现方式。

　　在闭环转速控制的固件实现中，转速控制是在固件中执行，而且需要占用大量CPU。在风扇控制是微控制器执行的主要进程或唯一进程的设计中会采用这种实现方式。

　　3线线风扇的控制是通过MCU中的固件指令来实现的该MCU采用定时器驱动的PWM接口调节PWM周期的占空比和修改实际风扇转速。一旦风扇数量超越分立PWM的数量，则会限制基于独立风扇控制的控制与优化。

　　为了计算实际风扇转速，每台风扇都会输出一个转速表信号，然后将该信号连接到定时器，以确定风扇的RPM转速。尽管某些应用不一定在意给定风扇的准确RPM，但是该信号对检测风扇停转或转子锁定故障至关重要。此外，更先进的风扇控制应用还可将这种转速表风扇响应信息用于严密控制管理系统中的风扇转速，以实现风扇降噪技术或者尽可能地降低系统中风扇的功耗。

　　(SoC)可以在单个芯片上实现所有上述功能，赛普拉斯半导体公司能够给大家提供各种价位的风扇控制器解决方案产品组合(入门级、中级和高级)。相关这类的产品组合包括PSoC 1、PSoC 3、PSoC4与PSoC 5系列。

　　逻辑的解决方案可以消除典型MCU实现的约束。此外，由于能够对给定系统中的每台风扇进行独立控制和监控，因此您能够：

　　由于采用硬件实现的闭环转速控制以及能够支持高达16台风扇以及为其它任务释放CPU，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)使PSoC3/5成为赛普拉斯半导体公司的高级风扇控制器解决方案产品。图21显示了采用PSoC 3或PSoC 5实现的完整风扇控制器系统。

　　由于采用硬件实现的闭环转速控制以及能够支持2~14台风扇，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)使PSoC4成为赛普拉斯半导体公司的入门级风扇控制器解决方案产品。图22显示了采用PSoC4实现的完整风扇控制器系统。

　　可以根据表1所示成本与其它参数确定风扇控制/热管理解决方案的具体PSoC系列选型。

　　(SoC)配套提供的工具能够显著简化这些风扇控制管理系统的开发。PSoC creator是面向基于PSoC 3、PSoC 4和PSoC 5的设计的工具。PSoC designer是面向基于PSoC 1的设计的工具。PSoC creator和PSoC designer提供的IP使设计人员能够用PSoC快速轻松地开发风扇控制器解决方案。这些IP是封装所有必要硬件模块的系统级解决方案，这中间还包括PWM、转速表输入捕获定时器、控制寄存器和状态寄存器，因此能够缩短开发时间和减少开发工作。这些IP在PSoC designer中称为用户模块，在PSoC creator中称为组件。它们可提供易于使用的应用程序接口(API)。API程序使我们也可以通过固件与组件互动。表2列出并说明各个函数的接口。

　　通过图形用户界面能定制相关组件或用户模块，以便设计人员输入风扇机电参数，例如占空比-RPM映射和物理风扇组构造。通过相同用户界面可以配置性能参数，包括PWM频率与分辨率以及开环或闭环操控方法。在输入系统参数之后，组件/用户模块能够给大家提供能节省PSoC内部资源的最佳实现方案，以便集成其它热管理及系统管理功能。提供的易于使用的API使固件研发人员能快速启动和运行。图24显示的是PSoC Creator的风扇控制器设计向导，图25显示的是PSoC Designer的风扇控制器设计向导。

　　总之，采用赛普拉斯半导体公司的PSoC作为风扇控制器能够简化设计，缩短设计时间和节省本金。上述解决方案实例展示了片上系统如何简化风扇控制器设计。参考资料