新一代熱管理和風(fēng)扇控制:可編程解決方案

　　今天的熱管理系統是由多種分立器件構成的：用于PWM生成的MCU(大的風(fēng)扇控制系統會(huì )有多個(gè))，用于溫度傳感的MCU(分享或專(zhuān)用)，以及主應用處理器(CPU，FPGA，ASIC等)，其和主應用程序共同管理風(fēng)扇轉速。對大型終端產(chǎn)品，如底盤(pán)基礎通信系統，通常他們的熱管理系統方案都非常復雜，由許多個(gè)分立器件構成。在更小體積的產(chǎn)品中，解決方案通常仍由多個(gè)離散器件構成，但簡(jiǎn)單得多。在這篇文章中，我們將探討如何正確使用可編程片上系統方案，如賽普拉斯的PSoC技術(shù)，來(lái)簡(jiǎn)化先進(jìn)的熱管理系統方案，此方案可以集成幾乎所有這種應用的分離器件，從而節省BOM成本，并且可以具備新的功能，大大提高了最終產(chǎn)品的可靠性和市場(chǎng)化，使這些產(chǎn)品更有競爭力。

　　可編程方案不限制傳感器接口數量和種類(lèi)

　　在大功率工業(yè)或通訊系統中，典型的挑戰就是控制應用的熱環(huán)境。實(shí)現這些控制的第一步是知道實(shí)際的環(huán)境—溫度感應。在測量溫度時(shí)有兩個(gè)選擇：模擬或數字溫度傳感器?？梢杂懈叩投藘煞N選擇，所以無(wú)論你需要測量到+ / - 0.1攝氏度還是標準+ / - 1攝氏度都有足夠好的結果，然后根據實(shí)際因素決定尺寸、距離和成本。二極管或晶體管是最便宜的實(shí)現模擬溫度傳感器的方式，它也是尺寸最小的，然而，二極管和ADC電壓測量設備之間的距離是很重要的，因為我們正在談?wù)摰氖俏⒎鼫y量。到目前為止，最受歡迎的數字溫度傳感器是I2C 前端溫度傳感器，其集成了ADC，二極管溫度傳感器和I2C接口來(lái)提取溫度值。數字溫度傳感器對于遠程測量是很有意義的，但比簡(jiǎn)單的二極管要貴得多。還有熱電偶(其對于環(huán)境溫度傳感是很好的)，熱敏電阻，基于PWM的數字溫度傳感器和許多其它的類(lèi)型。

　　片上系統器件包含了可編程數字和模擬功能，可以連接到任何不同形式的溫度傳感器，使用一顆密度足夠大的器件，你也可以連接到比離散固定功能MCU器件多得多的傳感器。這使得系統工程師或結構工程師可以真正關(guān)注設備的功能，可以用最低的成本來(lái)支持你的需要。此外，當減少了熱設計溫度傳感器數量的限制，在應用中就可以容納更多的測溫點(diǎn)，更好地了解熱力學(xué)條件，通過(guò)優(yōu)化風(fēng)扇轉速控制真正優(yōu)化風(fēng)扇位置、速度和算法來(lái)降低系統成本、功耗及噪音。

　　可編程方案具備獨特的風(fēng)扇控制能力

　　風(fēng)扇控制，不管是 3線(xiàn)還是 4線(xiàn)風(fēng)扇，基本上都是通過(guò)PWM接口實(shí)現的，調整PWM周期占空比來(lái)調節實(shí)際風(fēng)扇速度。典型的系統風(fēng)扇并不多，一般小于四個(gè)，利用MCU內置的PWM控制每個(gè)風(fēng)扇的速度，當風(fēng)扇超出PWM外設所支持的數目時(shí)，再用一個(gè)PWM接口來(lái)支持多個(gè)風(fēng)扇。這很管用，在風(fēng)扇控制功能中，已經(jīng)成為事實(shí)上的標準，然而，自主風(fēng)扇控制限制了我們所能進(jìn)行的控制和優(yōu)化。另外，為了計算實(shí)際風(fēng)扇轉速，每一個(gè)風(fēng)扇輸出一個(gè)轉速信號，要接到定時(shí)器或計數器來(lái)確定風(fēng)扇的RPM速度。在大多數應用中，并不在乎所用風(fēng)扇的確切RPM速度，這個(gè)信號在判斷風(fēng)扇失速或轉子發(fā)生鎖故障時(shí)是非常重要的。

　　基于可編程邏輯的方案消除了典型MCU的限制，可以比其他任何離散解決方案自主控制更多的風(fēng)扇。此外，還具備獨立控制和監控特定系統中每一個(gè)風(fēng)扇的能力:1)實(shí)現基于硬件/邏輯的閉環(huán)速度控制; (2)優(yōu)化每一個(gè)風(fēng)扇的速度，從而可以減少噪音和功耗，確切的保持系統需要維持的目標溫度;最后3)基于PWM占空比和實(shí)際RPM速度實(shí)現先進(jìn)的風(fēng)扇故障預測和風(fēng)扇老化算法。

　　基于硬件/邏輯的閉環(huán)速度控制就是使用可編程邏輯實(shí)現PWM外設和風(fēng)扇多個(gè)轉速計輸出到中央計數器模塊，在固件指令的配合下，設置并保持每個(gè)風(fēng)扇的占空比。這個(gè)功能通常是由MCU控制風(fēng)扇固件實(shí)現，或者著(zhù)終端應用工程是花費幾周的時(shí)間來(lái)根據應用描述風(fēng)扇占空比，從而只需要關(guān)心占空比。這個(gè)描述過(guò)程是很緩慢的，每一個(gè)新的包裝設計或終端應用都必須重新調整，因為他們的形狀結構是不同的。

　　可編程邏輯解決方案可以實(shí)現多個(gè)PWM(脈寬調制)和計數器外設，嵌入式工程師可以實(shí)現系統中每一個(gè)風(fēng)扇單一的，專(zhuān)門(mén)的PWM(脈寬調制)，共享一個(gè)通用計數器。使用正確的可編程邏輯，還在簡(jiǎn)單計數器使用上增加了智能轉速計功能，可以得到預期的RPM速度并自校準每一個(gè)PWM的占空比，維持理想的速度。使用這種方式實(shí)現，增加了額外功能，這是使用標準MCU固件控制方法不可能做到的，如高精度風(fēng)扇轉速控制，減少噪音和功耗最小，以及預測風(fēng)扇故障和風(fēng)扇老化算法可以很容易實(shí)現。

　　風(fēng)扇會(huì )不準確，要經(jīng)常維護，通常，根據特定PWM周期反饋的RPM速度會(huì )有+ / - 10%或更多的錯誤。對于一個(gè)閉環(huán)回路，硬件控制系統，設計人員可以輕易獲得并維持1%精度的RPM速度，沒(méi)有很高的延時(shí)，如果是固件實(shí)現，那么會(huì )導致難聽(tīng)的風(fēng)扇振動(dòng)聲音。此外，風(fēng)扇相對于PWM占空比調整反應也會(huì )變慢。為了減少下沖和過(guò)沖數量，可以引入快速硬件控制系統，如果沒(méi)有糾正也會(huì )導致難聽(tīng)的振動(dòng)聲音，還應該使用衰減系數。例如，賽普拉斯發(fā)布了智能風(fēng)扇控制組件和應用筆記，使用的是PSoC器件和PSoC Creator軟件，實(shí)現了上面討論的硬件控制風(fēng)扇管理系統。在這個(gè)例子中，工程師可以定制自己的風(fēng)扇控制方案，只需要簡(jiǎn)單的設置系統參數，如衰減系數、容限、控制類(lèi)型，在這個(gè)組件中，進(jìn)而配置適當的可編程邏輯與固件API調用(參閱下文圖1)?！　?/p>