合理的風(fēng)扇控制設計確保電信設備可靠運行

摘要： 隨著(zhù)IC功率密度的提高、系統工作速度的不斷提升，熱管理設計成為提高系統可靠性不可缺少的手段。本文討論了電信及其他高可靠性設備的風(fēng)扇控制設計方案。
關(guān)鍵詞： 風(fēng)扇；溫度監控；風(fēng)扇控制

無(wú)刷直流風(fēng)扇

　　無(wú)刷直流風(fēng)扇是很多設備的選擇，無(wú)刷直流風(fēng)扇的特點(diǎn)是可靠性高、簡(jiǎn)單易用。無(wú)刷直流風(fēng)扇是2線(xiàn)器件，在其兩端加上直流電壓即可工作。電信設備最簡(jiǎn)單的制冷方法就是給風(fēng)扇加上直流電壓，打開(kāi)開(kāi)關(guān)即可工作。直流工作電壓有5V、12V、24V、48V。12V的風(fēng)扇較為普遍。如果系統沒(méi)有12V電壓，也可以選用5V風(fēng)扇。對于2線(xiàn)風(fēng)扇，其轉速和消耗的電流隨著(zhù)直流電壓的不同而變化。

風(fēng)扇監測

　　雖然無(wú)刷直流風(fēng)扇的可靠性很高，使用壽命也很長(cháng)，但是無(wú)刷直流風(fēng)扇仍然是機械部件，仍然有磨損和失效。隨著(zhù)時(shí)間的推移，其制冷效率會(huì )下降甚至完全失效。這就是為什么要對風(fēng)扇進(jìn)行連續不斷的監測。很多風(fēng)扇提供了不同的監測方式，大致分為兩類(lèi)：報警傳感器和速度傳感器。報警傳感器給出一個(gè)數字信號，指示風(fēng)扇速度低于某個(gè)門(mén)限或已經(jīng)完全失效。速度傳感器會(huì )給出不同頻率的數字信號，其頻率與速度成正比，一般為每轉兩個(gè)脈沖。

控制風(fēng)扇速度的三種方式

　　脈寬調制控制方式
　　脈寬調制(PWM)控制方式就是按照固定頻率控制風(fēng)扇電源的通、斷，通過(guò)占空比調整實(shí)現風(fēng)扇的速度控制。占空比越大，風(fēng)扇轉速越高。這種方法需要選擇合適的頻率，如果PWM信號頻率太低，風(fēng)扇可能會(huì )在PWM周期內振蕩；如果PWM信號頻率過(guò)高，導致風(fēng)扇內部交換電路變化過(guò)快，可能引起操作失效?？紤]到上述問(wèn)題，PWM信號的頻率范圍通常設置在20Hz到160Hz。另外，PWM信號要有足夠的上升和下降時(shí)間，保證風(fēng)扇的長(cháng)期可靠性。

　　脈寬調制控制方式的優(yōu)點(diǎn)是驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單，啟動(dòng)特性好，調整管需要耗散的熱量很小。缺點(diǎn)是風(fēng)扇中的速度和報警傳感器的使用受到限制，因為速度和報警傳感器的供電與電機電源相同，會(huì )受到脈寬調制頻率的通、斷控制。

　　線(xiàn)性調整控制方式
　　線(xiàn)性調整控制方式就是通過(guò)調整管調整風(fēng)扇的電壓，首先要保證風(fēng)扇供電電壓的范圍要寬，與PWM調整控制方式相比，其優(yōu)點(diǎn)是可以利用速度傳感器和報警傳感器，缺點(diǎn)是調整管上的功耗很大。

　　DC/DC開(kāi)關(guān)調整控制方式
　　DC/DC開(kāi)關(guān)控制方式與現行控制方式很接近，都是調整風(fēng)扇兩端的電壓控制風(fēng)扇的速度。但是，與線(xiàn)性控制方式不同的是DC/DC使用開(kāi)關(guān)電源。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，DC/DC開(kāi)關(guān)控制的最大優(yōu)點(diǎn)是效率高、不會(huì )發(fā)熱。

MAX6651線(xiàn)性風(fēng)扇控制器
　　MAX6651內部有4個(gè)轉速計監控輸入口(Tach0—Tach4)，5條通用輸出/輸入口(GPIO#0—GPIO#4)，可以構建開(kāi)環(huán)或閉環(huán)風(fēng)扇速度控制，MAX6651通過(guò)2線(xiàn)SMBus接口與微處理器進(jìn)行控制信息交換，MAX6651可以編程輸出風(fēng)扇失效報警輸出和風(fēng)扇全速運行控制輸入。

圖1  多個(gè)風(fēng)扇控制

　　利用MAX6651可以直接監控4個(gè)風(fēng)扇，配合多路模擬開(kāi)關(guān)后，還可以監控更多的風(fēng)扇，如圖1所示。MAX6651的GPIO#2、#3和#4配置為輸出，用于控制MAX4051的地址輸入，從而由MAX6651的Tach3控制多路復用器選通的風(fēng)扇。圖中所有風(fēng)扇是并聯(lián)使用，不能獨立控制每個(gè)風(fēng)扇的速度。MAX6651對連接到Tach0的1#風(fēng)扇進(jìn)行閉環(huán)控制，其它風(fēng)扇的速度如同1#風(fēng)扇。

　　MAX6651可以讀取每個(gè)風(fēng)扇的速度，從而在風(fēng)扇失效時(shí)進(jìn)行適當的處理。出現風(fēng)扇失效時(shí)，可能需要系統停止運行以進(jìn)行維修，而很多系統不能停止運行，這時(shí)需要熱插拔和熱備份，如圖2所示。圖中的GPIO#0設置為報警輸出，GPIO#1設置為全速運行控制，將所有MAX6651的GPIO#0和GPIO#1連接在一起，這樣有一個(gè)風(fēng)扇報警后，也就是GPIO#0輸出低電平，而當GPIO#1是低電平時(shí)其它風(fēng)扇就會(huì )全速運行，同時(shí)GPIO#0會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷給微控制器，微控制器通過(guò)讀取每個(gè)風(fēng)扇的速度查出失效的風(fēng)扇。通過(guò)GPIO#2可以實(shí)現熱插拔，風(fēng)扇連接時(shí)，GPIO#2是高電平，風(fēng)扇拔掉后，GPIO#2是低電平。GPIO#2的另一個(gè)功能是可以作為內部時(shí)鐘的輸入或輸出，如果把一個(gè)I/O作為輸出，其余I/O作為時(shí)鐘輸入，可以使所有風(fēng)扇工作在同一頻率下，實(shí)現所有風(fēng)扇的同步。

圖2  熱備份和熱插拔

MAX6640開(kāi)關(guān)方式風(fēng)扇控制器

　　MAX6640是雙路PWM風(fēng)扇控制器，帶有雙路遠端溫度監控和本地溫度傳感器以及三路可編程報警輸出。MAX6640帶有風(fēng)扇失效檢測，通過(guò)SMBus 2線(xiàn)串行接口讀取數據并進(jìn)行編程設置。MAX6640通過(guò)控制PWM的占空比調整風(fēng)扇的轉速，PWM信號控制直流無(wú)刷風(fēng)扇的電源電壓或帶有轉速計的風(fēng)扇的速度控制輸入。圖3是MAX6640的典型應用。

圖3  開(kāi)關(guān)型風(fēng)扇控制器

風(fēng)扇控制芯片的PCB布局

　　風(fēng)扇控制電路的布局對于保證系統的可靠工作非常重要，以下給出了一些電路板布局中的注意事項：

　　·芯片應盡可能靠近遠端二極管。在噪聲環(huán)境中，比如計算機主板，這種距離可以為4 英寸至8 英寸或者更長(cháng)，最好能夠遠離噪聲源(比如CRT，時(shí)鐘發(fā)生器，存儲總線(xiàn)以及ISA/PCI總線(xiàn))。

　　·不要將DXP連線(xiàn)布在與CRT的偏轉線(xiàn)圈相鄰的地方。同樣，布線(xiàn)不要跨過(guò)存儲器的高速總線(xiàn)，否則會(huì )很容易引入+3℃的誤差，即使提供了良好的濾波也無(wú)濟于事。除此之外，其它噪聲源的影響要小得多。

　　·DXP與GND的走線(xiàn)保持平行，并相互靠近，同時(shí)遠離任何高壓走線(xiàn)，比如+12V直流電壓線(xiàn)。避免影響PCB，產(chǎn)生較大的漏電流。DXP與地之間的20MW的泄漏路徑可能造成大約+1℃的誤差。

　　·使用盡可能少的過(guò)孔和跨線(xiàn)，降低銅/焊點(diǎn)所產(chǎn)生的熱電偶效應。

　　·如果引入了熱電偶，應確保DXP與GND路徑上具有匹配的熱電偶。通常，PCB產(chǎn)生的熱電偶不會(huì )帶來(lái)嚴重的問(wèn)題。銅/焊點(diǎn)熱電偶具有3mV/℃的靈敏度，產(chǎn)生+1℃的測量誤差，會(huì )在DXP/GND產(chǎn)生大約200mV的電壓誤差。因此大多數寄生熱電偶誤差被淹沒(méi)掉。

　　·使用寬引線(xiàn)，較細的引線(xiàn)具有較高的寄生電感，易于拾取輻射噪聲。建議根據實(shí)際條件，盡可能采用10mil甚至更寬的引線(xiàn)和引線(xiàn)間距。

　　·在DXP引線(xiàn)與攜帶高頻噪聲的信號線(xiàn)之間鋪設隔離地線(xiàn)，有助于降低EMI。

參考文獻：

1. MAX6640數據手冊，Maxim公司
2. MAX6651數據手冊，Maxim公司