用于可变速BLDC 风扇控制系统的微控制器

简介

       便于携带、功能丰富、性能高和小巧玲珑是大多数电子产品的显著趋势。

       这些电子产品（如笔记本电脑）所产生的热量引起了人们越来越多的关注。使用冷却风扇仍然是预防电子设备过热的为普遍、有效的途径。

        为了实现快速变化的电子产品规范，人们需要使用基于微控制器（MCU）的智能可变速度控制的无刷直流电源（BLDC）风扇。可变速度控制、低噪声、可靠性、长寿命、低功耗、保护功能、维护/升级的简便性以及通信接口功能是基于闪存MCU 的BLDC 的主要特征。

       本文描述了BLDC 风扇的可变速度控制算法，该算法包括降低噪声的方法、功耗注意事项、锁检测和自动重启、热分流和通信接口。

       DC 风扇和BLDC 风扇的区别

       BLDC 风扇与传统风扇的物理外观基本上没有什么差异。两种风扇在将电能转化成机械运动时所用的原理也相同。当直流电压应用到其终端时，风扇旋转，风扇的速度取决于终端上应用的电压。

       主要区别在于它们的内部构造。两种风扇系统都要求整流，使电流流经风扇绕组，并在每旋转180 度时倒转。

       在传统的直流风扇系统中，永磁体的定子由两个或多个永磁体极性块组成，转轴由连接到机械刷（整流器）的绕组组成。接通电源的绕组的相对极性和定子磁体吸引着转轴，然后转轴开始旋转，直到它与定子处于同一水平位置。就象转轴要达到水平位置一样，刷子在整流器触头内移动，并为下绕组提供动力。因此，风扇转轴就连续旋转。

        然而，BLDC 风扇却旋转电力机械，其中，定子是一流的两相定子，转轴拥有表面安装的永磁体。在这一方面，BLDC 风扇就相当于一个呈逆时针旋转的传统直流风扇，电流极性通过电力整流器而不是通过机械刷进行更改。

       由于极性翻转由与转轴位置进行同步切换的晶体管/FET 执行，因此要使用霍尔效应传感器来传感转轴的实际位置。BLDC 的典型构造如图1 所示。

                                                      图1. BLDC 风扇的构造
      智能BLDC 风扇的需求

      由于庞大的转轴线圈，传统直流风扇具有更高的惰性，而BLDC 风扇则因为有了永磁体而使转轴更为轻巧。由于BLDC 风扇拥有更轻的转轴，能把更多能量传给载荷，就实现了更高的效率。BLDC 风扇使用电力换向，因而没有传统直流风扇固有的一些问题，如旋转时整流器刷子中的机械磨损、火花和电磁接口（EMI）等。

       由于智能可变速度控制BLDC 风扇系统能够轻松地进行配置、且具有诸如锁检测、自动重启、自动热分流等增强功能，满足了人们对现代电子产品快速变化的要求，因此，它的使用越来越广泛。

       BLDC 风扇中的速度控制

        BLDC 风扇中有固定速度控制和可变速度控制两种控制方式。

       1. BLDC 风扇中的固定速度控制

       在固定速度控制风扇中采用了具有外部或内置驱动装置的霍尔效应传感器。

       a) 具有外部驱动装置的三针脚霍尔传感器

       在这种方法中，BLDC 使用了具有外部晶体管/FET 的单信号输出闭锁霍尔效应传感器。通常情况下，该传感器用于BLDC 风扇，因为它能为电力换流传感BLDC的正极和负极磁场。该传感器包括用于磁性传感的片上霍尔电压生成器、能够放大霍尔电压的比较器、为抑制噪声提供转换滞后的Schmitt 触发器和集电极开路输出。该传感器的典型配置如图2 所示。

                                          图2. 带外部驱动装置的三脚霍尔传感器

       传感器监测由转轴上的永磁体生成的磁场的极性，提供有关转轴位置的信息。该信息用来触发外部晶体管/FET 的开与关。随着晶体管的运行，BLDC 风扇将连续旋转，旋转速度的快慢取决于供应电压。

       b) 具有内置驱动装置的霍尔传感器

       这种实施类型采用具有外部驱动装置的三脚霍尔传感器的增强版本。霍尔传感器不但包含一个与三脚霍尔传感器一样的片上霍尔放大电路，还拥有两个用于两相BLDC 风扇线圈驱动的补充输出和一些额外功能，如自动锁定关闭和自动重启等。

                                         霍尔传感器的典型配置如图3 所示。
       很多BLDC 风扇制造商都使用这种实施类型。这种实施的优势在于有更多的PCB主板空间可用于额外的外部组件，风扇也由于芯片上内置的基本保护功能而变得更加可靠。这种实施类型的劣势是它的驱动能力。由于有限的封装空间，输出驱动能力将由于使用了更小或速率更低的BLDC 风扇而受到限制。一般来说，的输出电流应该限制在20mA 以内。

        2. BLDC 风扇内的可变速度控制

       BLDC 风扇中有用于可变速度控制的外部和内部方案。

       外部方案是把一个外部晶体管/FET 与BLDC 风扇（高端配置/低端配置）进行串行连接，通过(c)线性镇流器、(d) DC-DC 镇流器或(e)脉冲宽度调制 (PWM)驱动方法控制整个风扇内的供应电压。BLDC 风扇的速度与供应电压成正比。
       内部方案是使用BLDC 风扇内置的内部晶体管/FET，通过(f) ASIC 解决方案或(g)MCU 解决方案更改速度。

       下面分别介绍可变速度控制BLDC 风扇解决方案内的一些典型实施：

       c) 外部方案中的线性调节驱动方法

       DC 或BLDC 风扇的速度可以通过风扇内的应用电压进行更改。整台风扇内的DC电压通过使用传统的线性镇流器进行调整。图4a 和4b 分别显示了高端和低端配置。这种方法的主要问题在于被动组件的散热和较窄的可控制速度范围。

       当风扇在零速或全速状态下运转时，被动组件要么在零速中完全关闭，要么在全速中完全开启。在这种情况下，所有功率都转移到BLDC 风扇上。而且这还意味着被动组件中无功率浪费。但当BLDC 风扇不在零速或全速时，被动组件中就将有部分功率浪费，因此这种方法的效率值得怀疑。

       由于这种方法没有速度监视，因此也就无法了解风扇的状态。为了确保风扇能够启动，它需要在电压的60%范围内选择启动电压，所以，可控制速度范围在剩余的40%部分中（即速度的60%至100%）。

                                                图 4a. 线性调节，低端配置

                                                 图 4b. 线性调节，高端配置

        通过用外部微控制器添加转速表来监视风扇状态的方法，可以对其进行一些改进。

       在这种情况下，虽然可以实现较高的效率和更低的启动电压，但系统成本也将大幅增加。

       d) 外部方案中的DC-DC 调节驱动方法

       由于线性调节方法中的缺陷，有些设计人员使用DC-DC 调节。这种驱动方法主要是使用开关模式电源来更改风扇的供应电压。这种方法消除了热耗散效应，但效率有待考虑。由于DC-DC 开关电源不可能实现100%的效率，因此风扇的总体效率在DC-DC 开关模式调节中将降低5-25%。但是，与线性调节相比，它的总体效率更高一些，而且这要取决于电压调节值的高低。这正好与线性调节方法降低调节供应电压将降低功率损失形成鲜明对比。这种方法的劣势在于更高的系统成本、高频率噪声和电路复杂性。其典型配置如图5a 和5b 所示。

                                                图 5a. DC-DC 调节，低端配置

                                                  图5b. DC-DC 调节，高端配置

      e) 内部方案中的PWM 驱动方法

      PWM 驱动方法的引入是为了克服线性和DC-DC 调节中的效率问题。BLDC 风扇的速度由应用到外部开关装置（晶体管/FET）中的PWM 固定信号的任务处理周期控制。风扇的速度与PWM 的任务处理周期成正比。提高PWM 信号的任务处理周期的百分比将提高风扇的速度。但是这种方法的一个重要注意事项是PWM 频率的选择。更高的PWM 频率将导致风扇内部换流电路的功能失常，较低的PWM 频率将导致风扇振动。因此，PWM 频率的流行值是这一方法的主要注意事项。由于PWM 频率要符合人耳的听力范围，但风扇运行时会出现噪声。因此，需要添加一些额外的组件来消除这一影响。其典型配置如图6a 和6b 所示。

                                              图6a. PWM 驱动电路，低端配置

                                           图 6b. PWM 驱动电路，高端配置
       这种方法的优势在于没有线性调节中的热耗散和低效率问题，也没有DC-DC 调节中的成本和复杂性问题。但是，在考虑系统成本和风扇的性能时，大多数外部方案都不能很容易地改进。因此，有些制造商开始使用内部方案来降低系统成本、改进系统性能，甚至为了满足客户需求而在BLDC 风扇内添加一些先进保护功能。

       f) ASIC 解决方案

       在ASIC 解决方案中，所有功能、速度控制方法和硬件配置针脚都经过了定义和修改。这种方法的优势在于实施更简单，但劣势在于缺乏灵活性。ASIC 半导体制造商设计出ASCI 控制器来满足一些特殊风扇控制应用的要求，把预先定义的速度控制算法和某些功能用于保护和其它目的。

       当ASIC 解决方案推出时，大多数ASIC 控制器都是为了控制电源断开时间以调整BLDC 风扇的速度。这种类型的风扇速度控制解决方案的典型配置如图7a 所示。

                                图7a. ASIC IC 中电源断开时间的速度控制
       在该配置中，根据R1 和 C1 的时间常量，旋转速度通过设置Ct 电压的充电时间来决定。将它与外部电压命令Vrt 进行比较，以决定风扇绕组的电源断开时间。在电压命令Vrt 和BLDC 风扇的实际速度之间有一种线性关系。Vrt 越高，风扇的速度也越高。这种类型的可变速度控制方法的优势在于其实施更简单，成本更低，劣势在于旋转速度中相对较高的误差。一般来说，旋转速度的准确性大约在+/- 10%之间。此外，大多数ASIC 控制器具有内置的霍尔传感器电路，霍尔元件和霍尔传感器都可以接受这一电路。

       现在，有些制造商开始为BLDC 风扇开发更为先进的ASIC 控制器。这种类型的ASIC 控制器使用具有高速PWM 技术的闭环速度控制来改进效率和可靠性。越来越多的额外功能也将添加到这些芯片中，包括基本保护、通信接口、用于速度控制的不同输入命令界面、甚至自动的片上热分流功能。这种类型的风扇速度控制解决方案的典型配置如图7b 所示。

                                               图7b. ASIC IC 中的PWM 速度控制
       在图7b 中，BLDC 风扇的转轴位置由来自外部霍尔传感器的不同信号或来自霍尔元件的集电极开路输出信号进行监测。所有驱动输出都需要与转轴位置保持同步。

       BLDC 风扇的速度要么由来自速度控制“SC”针脚的外部电压控制，要么由来自“CPWM”针脚的外部PWM 信号控制。

       使用“SC”针脚控制风扇速度、提高“SC”针脚中的电压都将由于补充输出针脚“OUT11”和“OUT2”PWM 驱动的任务处理周期的更高百分比而提高风扇速度。使用“CPWM”针脚来控制风扇速度时，风扇速度与PWM 输入信号的任务处理周期成正比。PWM 频率可以通过连接到该针脚的外部电容器进行设置。典型的PWM 频率设置为大约25kHz。

       LOCK/SD 针脚也可以用来显示风扇状态。在正常操作情况下，该针脚以两倍于风扇旋转速度的频率输出信号。如果风扇被锁定，该针脚就由于内部拉起式电阻器而处于逻辑高状态。然后，OUT1 和OUT2 就进入自动启动驱动模式以保护外部驱动设备和马达绕组。在这种情况下，风扇将驱动很短一段时间，然后在重新尝试驱动前等待较长一段时间。时间的长短取决于连接到“CLOCK”针脚的电容器值。

       用于BLDC 的ASIC 控制器具有不同的功能，有些具有通信接口（如I2C、ISI 或SMbus），而有些具有片上热分流功能。

       ASIC 解决方案的优势在于其实施更为简单。所有功能都是预定义的。BLDC 风扇制造商的设计人员只需更改外部组件就能符合其产品要求。ASIC 解决方案的主要劣势在于缺乏灵活性。

       由于不同的终客户可能要求BLDC 风扇具有不同性能和功能，预定义的ASIC IC可能不能满足他们的要求。ASIC IC 不能提供客户要求的空间。例如，ASIC 控制器只能用外部电压，提供线性关系速度控制。如果需要更改速度和电压之间的关系，ASIC 控制器就不能完成这一操作。使用微控制器（MCU），就可以很轻松地克服类似问题。利用MCU，只需更改查询表，就能相应地更改速度控制和外部命令（电压）之间的关系，即使它们之间的关系是线性的。这也是BLDC 风扇开始使用MCU 而不使用ASIC 的原因。而且，MCU 可以通过固件提供一条更轻松地更改任何与计时有关的参数的途径。在ASIC 控制器中，更改任何与计时有关的参数都要求更改外部组件。
 

        g) MCU 解决方案

        近，微控制器的成本降低了。很多BLDC 风扇制造商开始为其产品采用微控制器。

        MCU 解决方案中可以采用很多速度控制算法。典型的可变速度控制方法是：i) 相位开/关时间延迟和ii) PWM控制。

        选择哪种类型的控制方法取决于BLDC 风扇的要求。飞思卡尔半导体开发出一系列适合风扇控制应用的MCU，包括M9RS08KA2、M9S08QG8 和M9S08QD4MCU。所有这些8 位MCU 都具有内置的内部时钟源（ICS），为MCU 操作提供时钟源代码。通过使用ICS 模块，可以消除外部时钟源代码，从而降低风扇的系统成本，相同的封装内拥有更多可用的针脚。这些MCU 不仅拥有通用的MCU 功能，如模拟至数字转换器（ADC）、模拟比较器 (ACMP)、模计时器、外部中断和计时器/脉冲宽度调制器，还拥有一些串行通信接口，如串性通信接口（SCI）和串行外围设备接口（SPI）。另一方面，需要的话，风扇应用中可以安装片上温度传感器，用于ADC 校准和片上热分流保护。

        由于MCU 提供了灵活性优势，很多功能都可以通过更改固件轻松实施。我们能将更多精力放在两种类型的闭环速度控制方法的配置、它们的优势和劣势及设计/实施注意事项问题上。

       h) 内部方案中的相位开/关延迟时间控制方法

       内部方案中的相位开/关延迟时间控制方法用来调节相位交换时的关闭时间。旋转速度可以通过调节关闭时间的长短来调节。关闭时间与提供给风扇的能量成反比。

       也就是说，关闭时间越长，供应给定子线圈的能量越少，从而导致更低的风扇速度。但是应该满足的一个条件是它需要与来自霍尔传感器（即换流）的反馈信号保持同步。这种方法的基本原理与PWM方法的原理有些类似。两中方法都是通过更改打开/关闭时间的比率来更改应用到绕组线圈的能量。但它们之间的准确性、当前波纹和噪声水平有所不同。

       相位开/关延迟时间方法的配置如图8a所示。基本的运行原理是MCU驱动晶体管，让BLDC风扇开始旋转，霍尔传感器根据BLDC风扇的位置更改逻辑水平。根据来自霍尔传感器的信号，MCU相应地驱动风扇（换流）。速度取决于来自热量传感器外部电压的输入信号。MCU将根据热量传感器的输入更改关闭时间的长短。