《電子技術應用》
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可編程風扇控制器

2008-02-19
作者:美信公司

摘 要:如今的系統(tǒng)要在越來越小的封裝內實現不斷增加的性能,系統(tǒng)熱耗散成為了一個十分嚴重的問題。為了避免熱關機甚至系統(tǒng)故障,維持適當的溫度十分關鍵。因而,許多系統(tǒng)需要外加風扇來保持足夠的空氣流通。本應用筆記介紹了風扇控制模塊" title="控制模塊">控制模塊的概況,提供了一個利用MAX6870監(jiān)控六個風扇的簡單控制電路。

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風扇模塊概述
大型電信、網絡系統(tǒng)經常使用高性能處理器,從而在一個簡單的機架上實現更多功能。例如,一個曾經支持12條ADSL的線卡現在可以支持64條,之前能夠耗散24W (每條ADSL為2W)功率的電路板現在必須耗散128W的功率。用強勁的冷空氣氣流降低相關熱阻,以達到散熱要求。

大多數電信系統(tǒng)包含很多風扇。為保證在一個風扇出現故障的情況下系統(tǒng)仍能正常工作,系統(tǒng)經常放置超過理論所需數目的風扇(N+1結構),這樣,一個系統(tǒng)可能會用到6至8個風扇。每個風扇都有自己的電源,使風扇可以很容易地替換而不需要關閉整個系統(tǒng)。一個子機架風扇組(圖1)可能包括多個風扇模塊(譬如6個),它們由-48V" title="48V">48V電池總線供電,且由一個風扇控制模塊統(tǒng)一控制。

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圖1. 典型的子機架風扇模塊

基本的風扇模塊(圖2)包含一個隔離型DC-DC轉換器,根據風扇類型它可以將-48V電池電壓轉換成+12V或+24V。在轉換器之前使用一個熱插拔控制器,允許在系統(tǒng)不掉電的情況下更換風扇。同時每個風扇為控制模塊提供一個與轉速成比例的數字輸出(PWM或PFM)。

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圖2. 風扇模塊的系統(tǒng)框圖

這種類型的風扇系統(tǒng)可以有很寬的芯片選擇范圍。各種各樣的熱插拔控制器可以滿足不同性能級別的需求。譬如,Maxim的MAX5901只提供一個簡單的解決方案,而MAX5920則可以提供更高的精度,這兩種控制器都可以直接由-48V驅動。隔離電源可以選擇MAX5021;內置功率MOSFET的高集成度" title="高集成度">高集成度轉換器可以選擇MAX5043,它只需要一個變壓器、一個電容、一個輸出二極管和幾個電阻就可以提供50W的輸出功率,而且不需要散熱片。

風扇控制單元可以集成到系統(tǒng)內部,這種控制方式需要給多個風扇模塊提供一個接口,同時還必須能夠檢測每個風扇模塊是否工作正常。當一個風扇出現故障時,它必須能夠通知主控制單元。另外,我們還希望它能夠診斷并定位究竟是哪個風扇出現了故障。這種控制器可以通過很多方式實現上述功能。例如,通過計時器和分離器件組成的陣列來實現。但隨著風扇數量的增加,分離器件的數量也增加,增大設計難度。另外一種方法利用微處理器(μC)的I/O口,可以減少分離器件數目,但需要適當編程。

第三種而且也是相對簡單的替代方法是使用高集成度、EEPROM可配置、內置ADC的16位可編程" title="可編程">可編程電源排序器/監(jiān)控器。例如,MAX6870,它包括6路可配置的輸入電壓檢測器、4個通用輸入、2個看門狗、8個可編程輸出以及4kb用戶EEPROM??梢酝ㄟ^I2C兼容串行接口進行讀寫和編程。除了檢測電壓、看門狗信號、外部溫度以及其他邏輯輸入信號外,該器件還能實現諸如風扇控制的功能,最多可同時檢測10個風扇。
6風扇控制系統(tǒng)
為了便于闡述,我們先介紹一個風扇的控制系統(tǒng),然后擴展到6風扇系統(tǒng)。

我們定義報警信號用于判決被檢測風扇是否轉動。目前大多數風扇都可以提供一個集電極開路輸出信號(VOC),它通過一個電阻上拉到外部電壓(VS) (本例從4V上拉到30V)。風扇每轉一圈,該VOC輸出幾個(M)幅度在0V到VS間的脈沖(圖3)。

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圖3. 圖2風扇模塊的輸出

如果風扇以每秒N轉的速度轉動, 則VOC每秒產生N × M個脈沖。輸出是一組頻率為N × M赫茲的方波。如果將該輸出接至MAX6870的一個可編程輸入端,當風扇停止轉動時MAX6870的其中一個輸出端PO_將提供指示。

如果VS = 5V,輸出脈沖的范圍就是0V到5V。根據風扇停止時的電壓(VS或0V),設定輸入欠壓或過壓門限為2.5V,譬如當輸入電壓高于(低于) 2.5V時監(jiān)控器輸出為“真”。該配置下,當風扇開啟時,PO_輸出不被觸發(fā),輸出端產生5V到0V的連續(xù)脈沖。如果風扇停止轉動,則觸發(fā)輸出,電壓將保持高電平或低電平,具體取決于風扇的工作極性設置。

這個方案重要的一點是選擇一個尖峰濾波器為每個PO_輸出提供合適的時間常數" title="時間常數">時間常數。該濾波器一定要能容忍由于風扇電源抖動造成的頻率脈沖突變。對于MAX6870而言,所需的時間常數在25μs到1600ms之間。

例如,當M = 2, N = 54rps時, VOC的脈沖頻率為108赫茲,周期為9.26ms。如果需要嚴格控制風扇,選擇PO_抗尖峰時間常數為25ms,大約是1.35轉??紤]到風扇電源的波動(以及任何熱效應的影響),如果風扇停止轉動約2秒鐘,則認為風扇已經出現故障。在這個例子中,1.6秒的暫停時間比較合適。這意味著PO_報警會在風扇出現故障后變高(或低,取決于編程設置) 25ms或1.6s。

上述例子說明了一個風扇的控制。對于6風扇系統(tǒng),仍可使用MAX6870,并擴展到6個輸入和6個輸出。假設每個風扇模塊都有獨立的轉速輸出,我們可以使用上述架構用一個控制器分別控制每路風扇。輸出可以定義為開漏和線或方式,提供一路報警信號(圖4)。如果需要將信號極性反相或在觸發(fā)報警前插入額外延時,可以將上述信號連至一個GPI_和多個PO_,并且增大時間常數。

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圖4. 基于MAX6870電源排序器/監(jiān)控器的6風扇控制器

器件配置通常是一件十分耗時的工作,而MAX6870不需要軟件工程師為微處理器或其他器件編程。Maxim提供圖形界面的評估板,大大簡化了配置過程(圖5)。

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圖5. MAX6870編程界面

通過簡單地指向界面中的某一個模塊并輸入適當的數值(如輸入信號、時序等),工程師可以十分容易地配置MAX6870。經過適當配置后,點擊“"Load to Memory”按鍵對芯片裝載設置。MAX6870是第一款為復雜系統(tǒng)設計的多輸入控制器。由于精度高、易于編程等特點,大大簡化了系統(tǒng)設計。

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