用于可變速BLDC 風(fēng)扇控制系統(tǒng)的微控制器

簡(jiǎn)介
便于攜帶、功能豐富、性能高和小巧玲瓏是大多數(shù)電子產(chǎn)品的顯著趨勢(shì)。 這些電子產(chǎn)品（如筆記本電腦）所產(chǎn)生的熱量引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。使用冷卻風(fēng)扇仍然是預(yù)防電子設(shè)備過熱的最為普遍、最有效的途徑。
為了實(shí)現(xiàn)快速變化的電子產(chǎn)品規(guī)范，人們需要使用基于微控制器（mcu）的智能可變速度控制的無刷直流電源（bldc）風(fēng)扇?？勺兯俣瓤刂啤⒌驮肼?、可靠性、長(zhǎng)壽命、低功耗、保護(hù)功能、維護(hù)/升級(jí)的簡(jiǎn)便性以及通信接口功能是基于閃存mcu 的bldc 的主要特征。
本文描述了bldc 風(fēng)扇的可變速度控制算法，該算法包括降低噪聲的方法、功耗注意事項(xiàng)、鎖檢測(cè)和自動(dòng)重啟、熱分流和通信接口。
dc 風(fēng)扇和bldc 風(fēng)扇的區(qū)別
bldc 風(fēng)扇與傳統(tǒng)風(fēng)扇的物理外觀基本上沒有什么差異。兩種風(fēng)扇在將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)所用的原理也相同。當(dāng)直流電壓應(yīng)用到其終端時(shí)，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，風(fēng)扇的速度取決于終端上應(yīng)用的電壓。
主要區(qū)別在于它們的內(nèi)部構(gòu)造。兩種風(fēng)扇系統(tǒng)都要求整流，使電流流經(jīng)風(fēng)扇繞組，并在每旋轉(zhuǎn)180 度時(shí)倒轉(zhuǎn)一次。
在傳統(tǒng)的直流風(fēng)扇系統(tǒng)中，永磁體的定子由兩個(gè)或多個(gè)永磁體極性塊組成，轉(zhuǎn)軸由連接到機(jī)械刷（整流器）的繞組組成。接通電源的繞組的相對(duì)極性和定子磁體吸引著轉(zhuǎn)軸，然后轉(zhuǎn)軸開始旋轉(zhuǎn)，直到它與定子處于同一水平位置。就象轉(zhuǎn)軸要達(dá)到水平位置一樣，刷子在整流器觸頭內(nèi)移動(dòng)，并為下一次繞組提供動(dòng)力。因此，風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸就連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
然而，bldc 風(fēng)扇卻旋轉(zhuǎn)電力機(jī)械，其中，定子是一流的兩相定子，轉(zhuǎn)軸擁有表面安裝的永磁體。在這一方面，bldc 風(fēng)扇就相當(dāng)于一個(gè)呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)直流風(fēng)扇，電流極性通過電力整流器而不是通過機(jī)械刷進(jìn)行更改。
由于極性翻轉(zhuǎn)由與轉(zhuǎn)軸位置進(jìn)行同步切換的晶體管/fet 執(zhí)行，因此要使用霍爾效應(yīng)傳感器來傳感轉(zhuǎn)軸的實(shí)際位置。bldc 的典型構(gòu)造如圖1 所示。
圖1. bldc 風(fēng)扇的構(gòu)造
智能bldc 風(fēng)扇的需求
由于龐大的轉(zhuǎn)軸線圈，傳統(tǒng)直流風(fēng)扇具有更高的惰性，而bldc 風(fēng)扇則因?yàn)橛辛擞来朋w而使轉(zhuǎn)軸更為輕巧。由于bldc 風(fēng)扇擁有更輕的轉(zhuǎn)軸，能把更多能量傳給載荷，就實(shí)現(xiàn)了更高的效率。bldc 風(fēng)扇使用電力換向，因而沒有傳統(tǒng)直流風(fēng)扇固有的一些問題，如旋轉(zhuǎn)時(shí)整流器刷子中的機(jī)械磨損、火花和電磁接口（emi）等。
由于智能可變速度控制bldc 風(fēng)扇系統(tǒng)能夠輕松地進(jìn)行配置、且具有諸如鎖檢測(cè)、自動(dòng)重啟、自動(dòng)熱分流等增強(qiáng)功能，滿足了人們對(duì)現(xiàn)代電子產(chǎn)品快速變化的要求，因此，它的使用越來越廣泛。
bldc 風(fēng)扇中的速度控制
bldc 風(fēng)扇中有固定速度控制和可變速度控制兩種控制方式。
1. bldc 風(fēng)扇中的固定速度控制
在固定速度控制風(fēng)扇中采用了具有外部或內(nèi)置驅(qū)動(dòng)裝置的霍爾效應(yīng)傳感器。
a) 具有外部驅(qū)動(dòng)裝置的三針腳霍爾傳感器
在這種方法中，bldc 使用了具有外部晶體管/fet 的單信號(hào)輸出閉鎖霍爾效應(yīng)傳感器。通常情況下，該傳感器用于bldc 風(fēng)扇，因?yàn)樗転殡娏Q流傳感bldc的正極和負(fù)極磁場(chǎng)。該傳感器包括用于磁性傳感的片上霍爾電壓生成器、能夠放大霍爾電壓的比較器、為抑制噪聲提供轉(zhuǎn)換滯后的schmitt 觸發(fā)器和集電極開路輸出。該傳感器的典型配置如圖2 所示。
圖2. 帶外部驅(qū)動(dòng)裝置的三腳霍爾傳感器
傳感器監(jiān)測(cè)由轉(zhuǎn)軸上的永磁體生成的磁場(chǎng)的極性，提供有關(guān)轉(zhuǎn)軸位置的信息。該信息用來觸發(fā)外部晶體管/fet 的開與關(guān)。隨著晶體管的運(yùn)行，bldc 風(fēng)扇將連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度的快慢取決于供應(yīng)電壓。
b) 具有內(nèi)置驅(qū)動(dòng)裝置的霍爾傳感器
這種實(shí)施類型采用具有外部驅(qū)動(dòng)裝置的三腳霍爾傳感器的增強(qiáng)版本?；魻杺鞲衅鞑坏粋€(gè)與三腳霍爾傳感器一樣的片上霍爾放大電路，還擁有兩個(gè)用于兩相bldc 風(fēng)扇線圈驅(qū)動(dòng)的補(bǔ)充輸出和一些額外功能，如自動(dòng)鎖定關(guān)閉和自動(dòng)重啟等。 霍爾傳感器的典型配置如圖3 所示。

很多bldc 風(fēng)扇制造商都使用這種實(shí)施類型。這種實(shí)施的優(yōu)勢(shì)在于有更多的pcb主板空間可用于額外的外部組件，風(fēng)扇也由于芯片上內(nèi)置的基本保護(hù)功能而變得更加可靠。這種實(shí)施類型的劣勢(shì)是它的驅(qū)動(dòng)能