如今，冷却风扇被广泛使用，并且在电子设备中极为重要，尤其对于那些不间断运行的设备，包括电源、服务器、计算机和电信设备。

低成本冷却系统通常采用不间断全速运行的2线风扇。2线风扇没有通常只有更昂贵的3线风扇才有可能具备的温度比例速度控制，且无法检测到风扇锁定，从而缩短了风扇寿命，并可能对正在冷却的系统造成致命损坏。

本文描述了如何配置电源管理IC-SLG47105，以实现12伏双线风扇的智能脉宽调制(PWM)风扇驱动器，该驱动器具有温度比例速度控制和锁定检测功能。是一种外部组件最少的低成本的解决方案。

冷却风扇通常使用无刷直流电机，电机带有基于霍尔传感器的简单内部换向电路，由直流电压供电。风扇的速度与直流电压成正比，可以通过PWM技术进行控制。

下面从这种设计方法的基本建构和工作原理开始，简要介绍工程师如何在产品中实现PWM风扇驱动器。

建构模块及工作原理

设计有4个输入和1个输出：

PIN2-模拟输入，控制风扇速度

PIN3-控制模式选择输入

PIN14-PWM输入，直接控制输出驱动器

PIN17-风扇关闭输入，以禁用风扇

PIN16-故障输出，低电平有效

图1：基本的典型应用电路。本文资料来源：瑞萨电子

图1所示的应用电路中，输入模式连接到GND，此时电路工作在“模拟模式”，风扇转速与PIN2上的电压成正比。该设计还允许工程师利用PIN14上的PWM信号直接控制输出驱动器。在这种情况下，输入模式端必须连接到VDD，进入“数字模式”。

PIN19和PIN20用于检测温度阈值，在“模拟模式”中须连接到PIN2，而在“数字模式”中须连接到VDD。

上表所示为风扇参数。

图2:原型所示为外部元器件最少的低成本解决方案。

HVPAK设计剖析

本电路设计在GreenPAK Designer软件中创建，该软件是Go Configure软件中心的一部分，可免费使用，工程师无需任何编程语言知识即可创建电路设计。点击这里可提供了完整设计文件。

图3：突出显示HVPAK设计构建块。

风扇速度控制(与电压成比例)

风扇速度控制允许工程师使用电压来控制风扇速度。驱动风扇的PWM的占空比(dc)与输入电压成正比(介于0V和3V之间)。

图4：驱动风扇的PWM的占空比与输入电压成正比。

带有积分器和比较器宏单元的差分放大器，对高压输出端上的电压进行放大，然后提取平均值，并将其与参考电压(PIN2上的电压VIN)进行比较，宏单元根据比较结果，激活“equal”或“upword”输出。

PWM宏单元使用“equal”和“upword”信号来递增或递减占空比计数器，该计数器存储一个8位值，表示生成的PWM波形的占空比。这样，该模块实现了一个调整占空比的循环，以简化以下表达式：

Vmean=4×VIN

这里，Vmean是风扇上的平均电压，常数4是差分放大器的增益。

因此，输出占空比取决于输入电压，公式如下：

dc=(4×VIN/VDD2_A)×100%

在此示例中，VDD2_A为12V，得到100%的占空比，且VIN=3V。

图5所示为输出PWM波形(CH1通道所示)和输入电压(CH2通道所示)，其中VIN≈1.5V，dc≈50%。

图5：输出占空比取决于输入电压。

锁定检测和自动重启

该模块可以检测风扇是否停止，无论是因为它被迫停止还是因为它与驱动器的连接断开。当检测到锁定时，输出驱动器被禁用。在第一种情况下，还需要保护风扇免受致命损坏。在这两种情况下，该模块用于激活故障输出，以便系统能够保护自身免受过热影响。

此外，当检测到锁定时，该模块会尝试在编程预设的延迟时间后自动重新启动风扇。

该模块基于通过与驱动器串联的电阻器获得的电流测量。电阻器在传感器输入端提供与电机电流成比例的电压信号。为了解如何检测风扇锁定，需要了解直流无刷风扇的电路。

图6：无刷直流风扇使用简单的开关电路。

无刷直流风扇使用如图6所示的简单开关电路。霍尔传感器根据转子位置打开两个晶体管中的一个，以激活正确的线圈并确保旋转。这些换向会导致风扇电流的短暂和周期性中断。另一方面，如果风扇被锁定，则没有换向，也没有电流中断。

比较器CCMP0用于在每次电流中断时提供一个脉冲。脉冲的下降沿不断触发CNT1/DLY1宏单元(配置为延迟模式)，只要脉冲不断到来，它将保持其输出为低电平。如果大约50ms内没有脉冲，输出将变为高电平，触发CNT3/DLY3(配置为单次模式)提供一个负脉冲，该脉冲持续时间为5秒，在此期间，输出驱动器被禁用。故障输出激活为低电平，由CNT3/DLY3输出驱动。

5秒钟后，输出驱动器再次启用。如果风扇仍处于锁定状态，设备将再次进入故障状态。而3输入OR用于禁用锁定检测逻辑。

定时器启动

由于风扇因惯性而无法立即开始旋转，锁定检测逻辑可能会检测到误故障，并过早禁用输出驱动器。该模块用于在电机启动期间旁路锁定检测逻辑，以避免出现这种不期望的情况。

图7：启动定时器模块用于在电机启动期间旁路锁定检测逻辑。

该模块使用CNT2/DLY2在下降沿一次性激活的模式。下降沿由POR或“SHDN”信号产生。在第一种情况下，上升沿检测器产生由POR触发的短脉冲，因此在通电时产生启动信号。相反，“SHDN”信号的下降沿对应于风扇重新启动的所有情况。

当检测到下降沿时，“STARTUP”输出变为约125ms宽的高电平，无论来自CCMP0的信号是什么，都会在CNT1/DLY1的输入端强制为逻辑1(参见图7)。这允许工程师禁用由下降沿触发的锁定检测链；“STARTUP”信号可能只是产生一个上升沿，但它不会产生任何影响。

最低速度和停止阈值

该设计允许工程师设置最低风扇速度和最低温度(低于该温度时风扇将被禁用)。

图8：此模块设置最低风扇速度和最低温度，低于该最低温度风扇将被禁用。

为此，使用了两个电压比较器。比较器的输入连接到VIN电压，该电压控制风扇的速度并与检测到的温度成正比。

由于速度与输入电压成正比，因此可以通过在比较器上设置电压阈值来设置最小风扇速度。当输入电压低于阈值时，比较器的输出(MIN SPEED)变为低电平，并通过2位LUT强制高电平以“保持”PWM宏单元的输入。这样，只要输入电压低于阈值，输出占空比就不能进一步降低，从而设置最小风扇速度。

类似的概念适用于其他比较器。在这种情况下，电压阈值必须与温度传感器的最低温度相对应。当输入电压低于阈值时，比较器的输出(FAN STOP)变为低电平并禁用输出驱动器，从而停止风扇。这两个比较器中，都使用了32mV的迟滞。

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(参考原文：How to implement PWM fan driver using configurable chips ）

本文为《电子工程专辑》2022年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订