摘要:介绍了新型散热风扇速度控制器FSCT芯片的原理及其特性。并设计制作了两种实际应用电路。实验结果验证了理论分析的正确性,证明了设计的可行性、可靠性、实用性。
关键词:风扇转速控制;散热;变换器;绿色能源
0 引言
随着开关电源的不断发展,为了提高电力电子设备的功率密度,必须提高开关频率,减小体积[1]。但开关频率的提高,必然增大磁性元件、开关器件的功耗[2],这就使设备的热管理和散热成为一个不可避免的问题[3]。通常采用的散热方式有使用风扇、散热器、导热管、温度传感器、控制器IC及软件等[4]。其中,使用风扇是最简便常用的一种方法,它的关键是解决风扇的可闻噪声,空载损耗以及转速与温度的关系等问题[3]。本文将介绍两种以低成本的散热风扇速度控制器FSCT为核心所构成的根据温度调节风扇转速的电路。
1 FSCT芯片原理及特性
FSCTxxA-UH5系列芯片是高集成度低成本的风扇速度控制器,它由连接到翼片的内部热敏传感器调节风扇转速。适合用于需要低成本通风设备的电力电子变换器。
1.1 风扇速度控制
FSCTxxA-UH5内部结构如图1所示,它内部集成了参考电源、温度传感器、迟滞比较器、接通调整器以及驱动器。与芯片内部迟滞比较器相连的OUT端产生与翼片温度成比例的连续模拟电压VOUT,线性地控制外部PNP晶体管(风扇晶体管),使风扇转速随VOUT线性变化。VOUT与温度反方向变化,从而使风扇两端电压VFAN与温度同方向变化。
图1 芯片内部结构及外部连接图
风扇两端电压VFAN如式(1)所示:
VFAN=VDD-Veb-VOUT(1)
此时PNP作为线性放大器运行,避免了脉宽调制控制电路中的EMI和噪音。
1.2 ON/OFF状态工作特性
改变芯片ON端的电平,可使芯片运行于两种状态:ON状态(最小速度模式)和OFF状态(迟滞模式)。
1.2.1 ON状态(最小速度模式)工作特性
当ON端为高电平或悬空时,芯片工作于ON状态。此时风扇转速由温度调节,且风扇始终工作,从而避免了温度过低造成电压过低而使风扇停转,同时也抑制了风扇反复启动时的噪音干扰。
如图2所示,不同的温度Tj,输出电压有如下3种情况:
1)Tj<TMS:VOUT被限于VOMS以避免风扇停转;
2)TMS<Tj<TOL:VOUT由温度线性调节;
3)Tj>TOL:VOUT被锁定在最小值VOL。
式中:TMS为芯片工作于ON状态时,达到最大值即VOMS时开始调节风扇速度的温度,对应于图2中线形调节部分的最低温度;
TOL为芯片工作于ON状态时,达到最小值即VOL时将要停止调节风扇速度时的温度,对应于图2中线形调节部分的最高温度;
Tj为端子的实际温度。
图2 FSCT模式下的温度-输出特性
1.2.2 OFF状态(迟滞模式)工作特性
FSCT芯片的迟滞模式为一种绿色工作模式。所谓的绿色工作模式,即通过控制某一适当的量而使器件间歇工作,从而减小功率损耗[5];具体到FSCT芯片,就是通过使风扇间歇工作,从而减小风扇消耗的功率。如图3所示,Tj低于开启温度TON时,风扇不转;Tj高于TON时,风扇转到ON模式,转速由温度调节,与ON状态工作相同,这一特性可使电源或半导体器件免于温度过高而损坏;温度低于TOFF时,风扇自动停转,满足节能要求。在OFF状态下运行时,滞环要足够大以减小风扇开关转换时的振荡。
实际上,当加热功率为一固定不变的值时,有以下3种情况:
1)加热功率太低,总有Tj<TOFF,风扇一直不工作,如图3中图线1所示;
2)加热功率足够使Tj>TON,但在风扇工作后,不足以维持Tj>TOFF,从而导致风扇在周期性地开关,如图3中图线2所示;
3)加热功率较高,足以使Tj>TOFF,则风扇始终转动,如图3中图线3所示。
图3 FSCT模式下OFF状态3种实际运行温度情况
2 应用电路设计
根据FSCT芯片的原理及特性,设计两种应用电路,使芯片分别工作于FSCT模式(通常的风扇速度控制模式)和DWN模式(增大温度-电压调整率的风扇速度控制模式)。在每种工作模式下,同样分别有ON/OFF状态。
如图4所示,可通过开关S来进行两种工作电路的转换。
图4 实际应用电路
当开关S打在FSCT端时,芯片工作在FSCT模式,此时OUT端直接与风扇相连,无须运算放大器再次调节。芯片ON/OFF工作状态如前所述。
当开关S打在DWN端时,芯片工作在DWN模式。DWN模式通常使用在需要特定的温度调节特性的场合,运算放大器MC33172再次调节以改变PNP基极电压和温度比率从而改变温度调节特性。
DWN模式保留了当温度低于TMS时维持最小电压VOMS的优点,同时,可以增大温度比率,即Tj变大时加快VOUT的减小速度。运算放大器U1B的输出电压也就是此时风扇控制电路的输出电压VNEW为
VNEW=VOUT (VOUT>VREF)(2)
VNEW=VOUT-(VREF-VOUT) (VOUT<VREF)(3)
图5为DWN模式下的温度-输出特性曲线,对比图5和图2,显见DWN模式下VOUT随温度变化更快。
图5 DWN模式下的温度-输出特性
3 实验结果及分析
在室温25℃、Vcc=12V的测试条件下,分别测定FSCT和DWN模式下的温度-输出特性曲线如图6和图7所示。图6所示为实验实测FSCT模式下的温度-输出特性曲线,图7所示为实验实测DWN模式下的温度-输出特性曲线。
(a)ON状态 (b)OFF状态
图6 实验实测FSCT模式下的温度-输出特性曲线
(a)ON状态 (b)OFF状态
图7 实验实测DWN模式下的温度-输出特性曲线
分别由图6(a)、图6(b)和图7(a)、图7(b)可求得,FSCT模式下输出电压变化率k分别为0.133(ON状态)和0.135(OFF状态),二者基本保持一致;DWN模式下输出电压变化率k分别为0.189(ON状态)和0.190(OFF状态),二者也基本保持一致。这就说明两种工作状态下芯片工作于线形区时,温度-输出特性曲线斜率相同,与图2相符。由分别的图线可看出,实际情况下芯片的温度-输出特性曲线与芯片手册相符。
对比图6和图7,可知在DWN模式下,芯片工作于线形区时,温度-输出特性曲线斜率k大于FSCT模式,即使VOUT随温度变化更快,与分析相符。
4 结语