冷卻風扇被廣泛使用并且在電子設備中極為重要，尤其是對于那些經常運行的設備。這包括電源、服務器、計算機和電信設備。

低成本冷卻系統通常基于持續全速運行的 2 線風扇。溫度比例速度控制的缺失和無法檢測到風扇鎖定（通常只有更昂貴的 3 線風扇才有可能）縮短了風扇的壽命，并可能對正在冷卻的系統造成致命的損壞。

本文介紹如何配置電源管理 IC — SLG47105 — 以實現智能脈寬調制 （PWM） 風扇驅動器，該驅動器具有溫度比例速度控制和鎖定檢測功能，適用于 12V 2 線風扇。它代表了一種外部組件最少的低成本解決方案。

圖1此應用中使用了無刷直流風扇。資料來源：瑞薩電子

冷卻風扇通常使用帶有基于霍爾傳感器的簡單內部換向電路的無刷直流電機，由直流電壓供電。風扇的速度與直流電壓成正比，可以通過 PWM 技術進行控制。

以下是工程師如何在其產品中實現 PWM 風扇驅動器的簡要概述，從這種設計方法的基本結構和工作原理開始。

結構及運行原理

此設計有 4 個輸入和 1 個輸出：

PIN # 2 用于模擬輸入以控制風扇速度

PIN # 3 用于控制模式選擇輸入

PIN # 14 用于 PWM 輸入，用于直接控制輸出驅動器

PIN # 17 用于關閉輸入以禁用風扇

PIN # 16 用于故障輸出，低電平有效

圖 2這是典型應用電路的樣子。資料來源：瑞薩電子

在上面顯示的應用電路中，輸入模式連接到 GND，設計工作在“模擬模式”，因為風扇速度與 PIN #2 上的電壓成正比。該設計還允許工程師直接控制輸出驅動器PIN # 14 上的 PWM 信號。在這種情況下，輸入模式必須連接到VDD（“數字模式”）。

PIN # 19 和 PIN # 20 用于檢測溫度閾值。它們都必須在“模擬模式”中連接到 PIN #2，在“數字模式”中連接到 V DD。

上表顯示了風扇參數。

圖3原型展示了一個具有最少外部組件的低成本解決方案。資料來源：瑞薩電子

HVPAK 設計剖析

此電路設計是在 GreenPAK Designer 軟件中創建的，該軟件是Go Configure 軟件中心的一部分，可免費使用，讓工程師無需任何編程語言知識即可創建電路設計。此鏈接下提供了完整的設計文件。

圖 4該圖突出顯示了 HVPAK 設計構建塊。資料來源：瑞薩電子

電壓比例風扇速度控制

風扇速度控制塊允許工程師使用電壓輸入來控制風扇速度。驅動風扇的 PWM 的占空比與輸入電壓成正比（介于 0 V 和 3 V 之間）。

圖 5驅動風扇的 PWM 的占空比與輸入電壓成正比。資料來源：瑞薩電子

帶有積分器和比較器宏單元的差分放大器放大高壓輸出上的電壓，提取平均值，并將其與參考電壓（PIN #2 上的電壓 V IN ）進行比較。宏單元根據比較結果激活“相等”或“上行”輸出。

PWM 宏單元使用“equal”和“upword”信號來遞增或遞減占空比計數器，該計數器存儲一個 8 位值，表示生成的 PWM 波形的占空比。這樣，該模塊實現了一個調整占空比的循環，以方便以下表達式：

V平均值= 4*V IN這里，V mean是風扇上的平均電壓，常數 4 是差分放大器的增益。

因此，輸出占空比取決于輸入電壓，公式如下：

直流 （%） = （4*V IN / V DD2 _A）*100

在此示例中，V DD2 _A 為 12 V，我們得到 100% 的占空比且 V IN = 3 V。圖 6顯示了輸出 PWM 波形 （CH1） 和輸入電壓 （CH2），其中 V IN ≈ 1.5 V 和因此 dc ≈ 50%。

圖 6輸出占空比取決于輸入電壓。資料來源：瑞薩電子

鎖定檢測和自動重啟

該模塊可以檢測風扇是否停止，無論是因為它被迫停止還是因為它與驅動器斷開連接。當檢測到鎖定時，輸出驅動器被禁用。在第一種情況下，還需要保護風扇免受致命損壞。在這兩種情況下，該塊都可用于激活故障輸出，以便系統可以保護自身免受過熱。

此外，當檢測到鎖定時，該模塊會嘗試在可編程延遲時間后自動重新啟動風扇。

圖 7鎖定檢測和自動重啟模塊基于通過與驅動器串聯的電阻器完成的電流測量。資料來源：瑞薩電子

如上圖所示，該模塊基于通過與驅動器串聯的電阻器獲得的電流測量值。電阻器在傳感器輸入端提供與電機電流成比例的電壓信號。要了解如何檢測風扇鎖定，我們需要了解直流無刷風扇的電路。

圖 8無刷直流風扇使用簡單的開關電路。資料來源：瑞薩電子

無刷直流風扇使用如圖 8所示的簡單開關電路。霍爾傳感器根據轉子位置打開兩個晶體管之一，以激活正確的線圈并確保旋轉。如圖 9所示，這些換向會導致風扇電流的短暫和周期性中斷。另一方面，如果風扇被鎖定，則沒有換向，也沒有電流中斷，如圖10所示。

圖 9在正常運行期間的風扇電流波形中，傳感器引腳上的信號被放大 120 倍以進行測量。資料來源：瑞薩電子

圖 10如果風扇被鎖定，則沒有換向和電流中斷。資料來源：瑞薩電子

比較器 CCMP0 用于在每次電流中斷時提供一個脈沖。這些脈沖的下降沿不斷觸發 CNT1/DLY1 宏單元（配置為延遲模式），只要脈沖不斷到來，它將保持其輸出為低電平。如果大約 50 ms 內沒有脈沖出現，輸出將變為高電平，觸發 CNT3/DLY3（配置為單次模式）以提供持續時間為 5 秒的負脈沖。在此間隔期間，輸出驅動器被禁用。故障輸出為低電平有效，由 CNT3/DLY3 輸出驅動。

5 秒后，輸出驅動器再次啟用。如果風扇仍處于鎖定狀態，設備將再次進入故障狀態。

3 輸入 OR 用于禁用鎖定檢測邏輯，如下節所述

啟動定時器

由于風扇由于慣性而無法立即開始旋轉，鎖定檢測邏輯可能會檢測到錯誤的故障情況并過早禁用輸出驅動器。該模塊用于在電機啟動期間繞過鎖定檢測邏輯，以避免出現這種不需要的情況。

圖 11啟動定時器塊用于在電機啟動期間繞過鎖定檢測邏輯。資料來源：瑞薩電子

該塊在下降沿激活的單發模式中使用 CNT2/DLY2。下降沿由 POR 或“SHDN”信號產生。在第一種情況下，上升沿檢測器產生一個由 POR 觸發的短脈沖，因此在上電時會產生啟動信號。相反，“SHDN”信號的下降沿對應于風扇正在重新啟動的所有情況。

當檢測到下降沿時，“STARTUP”輸出變為高電平約 125 ms，無論來自 CCMP0 的信號是什么，都會在 CNT1/DLY1 的輸入端強制為邏輯 1（參見圖 7）。這允許工程師禁用由下降沿觸發的鎖定檢測鏈；“STARTUP”信號可能只是產生一個上升沿，但它不會產生任何影響。

最低速度和停止閾值

該設計允許工程師設置最低風扇速度和最低溫度，低于該溫度時風扇將被禁用。

圖 12此塊設置最低風扇速度和最低溫度，低于該最低溫度風扇將被禁用。資料來源：瑞薩電子

為此，使用了兩個電壓比較器。比較器的輸入連接到 V IN電壓，該電壓控制風扇的速度并與檢測到的溫度成正比。

由于輸入電壓與速度成正比，因此可以通過在比較器上設置電壓閾值來設置最小風扇速度。當輸入電壓低于閾值時，比較器的輸出 （MIN SPEED） 變為低電平，并通過 2 位 LUT 強制高電平以“保持”PWM 宏單元的輸入。這樣，只要輸入電壓低于閾值，輸出占空比就不能進一步降低，從而設置最小風扇速度。

類似的概念適用于其他比較器。在這種情況下，電壓閾值必須對應于溫度傳感器的最低溫度。當輸入電壓低于閾值時，比較器的輸出 （FAN STOP） 變為低電平并禁用輸出驅動器，從而停止風扇。

對于這兩個比較器，都使用了 32mV 的遲滯。

最終實施

下面是輸入電壓和輸出占空比之間比例的圖形描述。

圖 13 In 輸出波形 （C1），V IN ≈ 1 V （C2）。資料來源：瑞薩電子

圖 14 In 輸出波形 （C1），V IN ≈ 1.5 V （C2）。資料來源：瑞薩電子

圖 15 In 輸出波形 （C1），V IN ≈ 2.4 V （C2）。資料來源：瑞薩電子

圖 16顯示風扇強制停止時的風扇電流 （C1） 和故障輸出 （C2）。資料來源：瑞薩電子

以下是風扇停止且輸入電壓低于最低閾值時的最低溫度。

圖 17這是最終結果的輸出波形 （C1） 和輸入電壓 （C2） 的樣子。資料來源：瑞薩電子

本文介紹了如何配置高壓 GreenPAK IC SLG47105 以實現具有最少外部組件的智能脈寬調制 （PWM） 風扇驅動器。由于具有大電流功能的集成驅動器，該設計非常靈活，可以適應各種風扇。該設計還允許工程師輕松配置參數，包括 PWM 頻率、最低速度和最低溫度。

Gabriele Mantovani 是一名電子工程師。