高效率的風(fēng)扇控制電路

高效率的風(fēng)扇控制電路

最簡單的風(fēng)扇控制方案是采用一個(gè)開關(guān)控制風(fēng)扇，這種方案雖然簡單，但效率非常低，因?yàn)轱L(fēng)扇提供的制冷能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際需求。另外，這種開關(guān)控制方案產(chǎn)生的噪聲很大。利用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)可以提高風(fēng)扇的工作效率和穩(wěn)定性，但PWM方案并非當(dāng)前最好的解決方案。本文提出了兩種替代方案，一種基于線性調(diào)節(jié)器架構(gòu)，另一種基于開關(guān)調(diào)節(jié)器架構(gòu)，它們都可以直接利用PWM調(diào)制信號控制3線風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，提供更高效率。

典型的風(fēng)扇控制器可提供PWM信號輸出，對風(fēng)扇速度進(jìn)行控制。一般情況下，低頻信號(30~100Hz)通過占空比可調(diào)信號控制風(fēng)扇馬達(dá)的導(dǎo)通和斷開，從而調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。不幸的是，對3線風(fēng)扇(電源、地和轉(zhuǎn)速計(jì)輸出)電源進(jìn)行斬波控制會制約轉(zhuǎn)速計(jì)信號(提供給風(fēng)扇控制器的反饋信號)，因?yàn)樾盘栐谡伎毡鹊牡碗娖狡陂g被截止，從而影響控制環(huán)路。一些風(fēng)扇控制器試圖補(bǔ)償這些影響，但效果不佳。此外，交替地開關(guān)風(fēng)扇還會產(chǎn)生“喀嗒”噪聲。

一種解決方案是采用低通濾波器平滑PWM信號，然后利用平滑后的信號控制線性驅(qū)動(dòng)器。對于12V風(fēng)扇，控制電壓的典型值為5~12V，可以使用一個(gè)廉價(jià)的線性調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。另外，電路中需要引入RC濾波電路對PWM輸出進(jìn)行平滑處理，然后經(jīng)過一個(gè)運(yùn)放緩沖或外部調(diào)節(jié)器對電流進(jìn)行放大。這種方案原理上是可行的，但是如果沒有額外的保護(hù)將很容易造成電路損壞，風(fēng)扇一旦短路就會損壞整個(gè)電路。

通用的線性調(diào)節(jié)器非常適合風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。線性調(diào)節(jié)器由運(yùn)算放大器、導(dǎo)通晶體管、限流器、短路保護(hù)電路及高溫保護(hù)電路組成，所有功能電路都集成在一個(gè)封裝內(nèi)，價(jià)格也非常合理。更重要的是，典型的線性調(diào)節(jié)器能提供0.5~1.5A的電流，可滿足絕大部分風(fēng)扇控制的需求。

在典型應(yīng)用中，控制器將100Hz的PWM信號施加到導(dǎo)通晶體管的基極，根據(jù)PWM的占空比觸發(fā)風(fēng)扇電機(jī)電流的導(dǎo)通和斷開，從而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。圖1電路采用100Hz的PWM信號控制風(fēng)扇，PWM信號由U1(雙通道溫度監(jiān)控器MAX6639，帶有兩路自動(dòng)PWM風(fēng)扇速度控制輸出)的漏極開路輸出提供。這個(gè)電路不是控制導(dǎo)通晶體管的通斷，而是用圖1所示PWM信號控制線性調(diào)節(jié)器(U2)的輸出電壓。RC濾波電路平滑PWM輸出，時(shí)間常數(shù)等于R1、R2A和R2B的戴維南等效電阻與電容C1的乘積。

圖1：基于線性調(diào)節(jié)器的簡單而低成本的風(fēng)扇控制電路。

U2調(diào)節(jié)輸出電壓，使V_OUT與ADJ之間的電壓穩(wěn)定在1.25V。假設(shè)不計(jì)U1對輸出的影響，則U2的輸出電壓等于1.25V×(1+R2/R1)，其中R2=R2A+R2B。假設(shè)要考慮U1的控制作用，則需注意是R2A決定了最小輸出電壓。當(dāng)U1的PWM極性控制位設(shè)置成正極性占空比時(shí)，占空比為0%的輸出產(chǎn)生很小的PWM信號，使漏極開路輸出連續(xù)導(dǎo)通，等效于R2B短路。在這種情況下，R2A(3.3kΩ)決定最小輸出電壓為4.7V。對保持有效的轉(zhuǎn)速信號并同時(shí)最小化風(fēng)扇的功耗而言，這個(gè)電壓已經(jīng)足夠低。

R2B與R2A的和確定V_OUT的最大值。當(dāng)占空比為100%時(shí)，漏極開路輸出保持在開路狀態(tài)，R2B在分壓網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出最大值，7.5kΩ的R2B對應(yīng)于12.5V最大電壓。C1和C4是典型的旁路電容，C3為U2的輸出電容，C3被用來平滑輸出電壓并為風(fēng)扇提供交流電流。

線性調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)方案可以提供有效的轉(zhuǎn)速控制以及高溫、短路保護(hù)，但它的功耗較大。對于低功率風(fēng)扇，增加額外功耗可能不是問題，但大功率風(fēng)扇可能無法承受額外的功耗。當(dāng)電壓差為7V、電流等于500mA時(shí)，調(diào)節(jié)器或者導(dǎo)通晶體管需要消耗3.5W功率，這將帶來散熱問題。但是，風(fēng)扇通常被用于冷卻其它電路，而不是冷卻風(fēng)扇控制器本身。

為尋求一種效率更高、功耗更低的電源管理方案，可考慮開關(guān)調(diào)節(jié)器。就像前面介紹的線性調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)方案一樣，開關(guān)調(diào)節(jié)器方案需要對風(fēng)扇控制器輸出的低頻PWM信號進(jìn)行平滑和電平轉(zhuǎn)換。這里的溫度監(jiān)控器仍選擇MAX6639。

開關(guān)調(diào)節(jié)器具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，供應(yīng)商也很多，因此選擇正確的開關(guān)調(diào)節(jié)器并非易事。針對本文應(yīng)用的選擇范圍可大大縮小，因?yàn)檫@里采用的開關(guān)調(diào)節(jié)器有一些特殊要求：一是它必須是降壓型的，可以把12V的筆記本電池或外部電池電壓降到5V；二是它必須在風(fēng)扇短路時(shí)提供限流保護(hù)，在連接充電器直接工作時(shí)承受一定的高壓，并具備內(nèi)部驅(qū)動(dòng)晶體管和簡單的電壓反饋電路。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，我們選擇了如圖2所示的MC33063A(U2)。

圖2：基于開關(guān)調(diào)節(jié)器的高效率的風(fēng)扇控制電路。

U2被配置成一個(gè)傳統(tǒng)的降壓型調(diào)節(jié)器，因?yàn)樵撾娐凡捎闷瑑?nèi)晶體管，所以必須保證峰值電流低于1.5A的特定限制值。降壓型設(shè)計(jì)的峰值電流為I_pk=2I_OUT，因此必須將I_OUTMAX限制在750mA以內(nèi)。R3被用來限制峰值電流，R3=0.3V/I_pk。當(dāng)R3=0.5Ω時(shí)，峰值電流限制在600mA，從而允許使用額定電流較小的電感和通用的1A肖特基二極管。

為消除聽得到的噪聲，要求選擇適當(dāng)?shù)腃1，將開關(guān)調(diào)節(jié)器的振蕩頻率設(shè)置在超聲波頻率范圍內(nèi)(50kHz)。50kHz的振蕩頻率可提供較高效率，而無需使用大尺寸電感?？紤]到最小輸出電壓為5V，選擇L1為50μH。

風(fēng)扇的輸出電壓為V_OUT=1.25V×(1+R2/R1)，其中R1是R1A與R1B的并聯(lián)電阻值。U1的輸出為100Hz的漏極開路信號，當(dāng)占空比等于100%時(shí)，PWM輸出關(guān)閉漏極開路輸出晶體管，即斷開R1B與電路的連接。此時(shí)，風(fēng)扇電壓為V_OUT=1.25V×(1+3.6kΩ/1.2kΩ)=5V。當(dāng)占空比為0%時(shí)，PWM輸出為低電平，R1為R1A(1.2kΩ)和R1B(600Ω)的并聯(lián)阻值，等于400Ω，此時(shí)風(fēng)扇電壓為V_OUT=1.25V[(1+3.6kΩ)/400Ω]=12.5V。

實(shí)際的輸出電壓會略微降低，因?yàn)閁1的PWM輸出不是以真正的地為參考，實(shí)際參考電壓為輸出晶體管導(dǎo)通電阻Rds乘以2mA(即U2第5引腳上的基準(zhǔn)電壓1.25V除以R1B的阻值600Ω)。按照上述討論，當(dāng)占空比為0%時(shí)，輸出電壓為12.5V；當(dāng)占空比為100%時(shí)，輸出電壓為5V。通常還可以利用控制位反轉(zhuǎn)PWM的輸出極性，來輕松獲得相反的結(jié)果。

但占空比為50%時(shí)，C4平滑PWM輸出。大的容值有助于減小紋波，但會增加響應(yīng)時(shí)間。為平衡響應(yīng)時(shí)間和紋波指標(biāo)，建議選擇1μF電容。

當(dāng)?shù)?引腳上的電壓超過1.25V時(shí)，U2的滯后反饋信號將關(guān)閉輸出。由于采用了簡單的RC濾波電路，當(dāng)C4電壓超過U2的基準(zhǔn)電壓時(shí)，在占空比為50%時(shí)可以關(guān)閉輸出。這種效應(yīng)可以通過增大輸出電容C2進(jìn)行補(bǔ)償。C2在負(fù)周期為風(fēng)扇供電。為選擇正確的電容值，必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵撝蹬c轉(zhuǎn)速計(jì)工作時(shí)的最低電壓、最小占空比、風(fēng)扇噪聲等因素有關(guān)。

在圖2中，基于10%的最小占空比、1V輸出紋波電壓，選擇C2的容值為470μF，它在12V時(shí)可吸收175mA電流。當(dāng)然也可以選擇更大容值的電容，但其成本高且尺寸大。大多數(shù)風(fēng)扇通常允許一定的電壓紋波，關(guān)鍵是不能使風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)電壓太低，以致轉(zhuǎn)速計(jì)的工作沒有保障，或者風(fēng)扇的電壓調(diào)節(jié)產(chǎn)生噪聲。

最后需要強(qiáng)調(diào)的是，圖2電路在調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速時(shí)比圖1電路具有更高效率。圖3對這兩種電路的效率進(jìn)行了比較。

圖3：線性穩(wěn)壓型風(fēng)扇控制效率(綠色)與開關(guān)型風(fēng)扇控制效率(紫色)的對比。