合理的风扇控制设计确保电信设备可靠运行

摘要： 随着IC功率密度的提高、系统工作速度的不断提升，热管理设计成为提高系统可靠性不可缺少的手段。本文讨论了电信及其他高可靠性设备的风扇控制设计方案。
关键词： 风扇；温度监控；风扇控制

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栾成强：高级工程师。

引言

　　当今的电信设备对可靠性要求极高，很多设备配备了冗余电源备份，主控板采用双备份。同时设备的体积也在缩小，随着芯片集成度的提高，单位面积内的功率也在大幅增加。所有这些因素都对散热设计提出了更高的要求，因此温度监控和风扇控制设计在电信设备中显得尤为重要。

　　风扇控制设计的主要目的是保证电信设备的可靠运行，所以风扇控制芯片本身应该具有高可靠性。Maxim对于温度传感器和风扇控制器采用了6d控制体系，其百万产品的失效率仅有3或4。本文介绍了几种相关的风扇控制方案。

无刷直流风扇

　　无刷直流风扇是很多设备的选择，无刷直流风扇的特点是可靠性高、简单易用。无刷直流风扇是2线器件，在其两端加上直流电压即可工作。电信设备最简单的制冷方法就是给风扇加上直流电压，打开开关即可工作。直流工作电压有5V、12V、24V、48V。12V的风扇较为普遍。如果系统没有12V电压，也可以选用5V风扇。对于2线风扇，其转速和消耗的电流随着直流电压的不同而变化。

风扇监测

　　虽然无刷直流风扇的可靠性很高，使用寿命也很长，但是无刷直流风扇仍然是机械部件，仍然有磨损和失效。随着时间的推移，其制冷效率会下降甚至完全失效。这就是为什么要对风扇进行连续不断的监测。很多风扇提供了不同的监测方式，大致分为两类：报警传感器和速度传感器。报警传感器给出一个数字信号，指示风扇速度低于某个门限或已经完全失效。速度传感器会给出不同频率的数字信号，其频率与速度成正比，一般为每转两个脉冲。

控制风扇速度的三种方式

　　脉宽调制控制方式
　　脉宽调制(PWM)控制方式就是按照固定频率控制风扇电源的通、断，通过占空比调整实现风扇的速度控制。占空比越大，风扇转速越高。这种方法需要选择合适的频率，如果PWM信号频率太低，风扇可能会在PWM周期内振荡；如果PWM信号频率过高，导致风扇内部交换电路变化过快，可能引起操作失效。考虑到上述问题，PWM信号的频率范围通常设置在20Hz到160Hz。另外，PWM信号要有足够的上升和下降时间，保证风扇的长期可靠性。

　　脉宽调制控制方式的优点是驱动电路简单，启动特性好，调整管需要耗散的热量很小。缺点是风扇中的速度和报警传感器的使用受到限制，因为速度和报警传感器的供电与电机电源相同，会受到脉宽调制频率的通、断控制。

　　线性调整控制方式
　　线性调整控制方式就是通过调整管调整风扇的电压，首先要保证风扇供电电压的范围要宽，与PWM调整控制方式相比，其优点是可以利用速度传感器和报警传感器，缺点是调整管上的功耗很大。

　　DC/DC开关调整控制方式
　　DC/DC开关控制方式与现行控制方式很接近，都是调整风扇两端的电压控制风扇的速度。但是，与线性控制方式不同的是DC/DC使用开关电源。两种方式各有优缺点，DC/DC开关控制的最大优点是效率高、不会发热。

MAX6651线性风扇控制器
　　MAX6651内部有4个转速计监控输入口(Tach0—Tach4)，5条通用输出/输入口(GPIO#0—GPIO#4)，可以构建开环或闭环风扇速度控制，MAX6651通过2线SMBus接口与微处理器进行控制信息交换，MAX6651可以编程输出风扇失效报警输出和风扇全速运行控制输入。

图1  多个风扇控制

　　利用MAX6651可以直接监控4个风扇，配合多路模拟开关后，还可以监控更多的风扇，如图1所示。MAX6651的GPIO#2、#3和#4配置为输出，用于控制MAX4051的地址输入，从而由MAX6651的Tach3控制多路复用器选通的风扇。图中所有风扇是并联使用，不能独立控制每个风扇的速度。MAX6651对连接到Tach0的1#风扇进行闭环控制，其它风扇的速度如同1#风扇。

　　MAX6651可以读取每个风扇的速度，从而在风扇失效时进行适当的处理。出现风扇失效时，可能需要系统停止运行以进行维修，而很多系统不能停止运行，这时需要热插拔和热备份，如图2所示。图中的GPIO#0设置为报警输出，GPIO#1设置为全速运行控制，将所有MAX6651的GPIO#0和GPIO#1连接在一起，这样有一个风扇报警后，也就是GPIO#0输出低电平，而当GPIO#1是低电平时其它风扇就会全速运行，同时GPIO#0会产生一个中断给微控制器，微控制器通过读取每个风扇的速度查出失效的风扇。通过GPIO#2可以实现热插拔，风扇连接时，GPIO#2是高电平，风扇拔掉后，GPIO#2是低电平。GPIO#2的另一个功能是可以作为内部时钟的输入或输出，如果把一个I/O作为输出，其余I/O作为时钟输入，可以使所有风扇工作在同一频率下，实现所有风扇的同步。

图2  热备份和热插拔

MAX6640开关方式风扇控制器

　　MAX6640是双路PWM风扇控制器，带有双路远端温度监控和本地温度传感器以及三路可编程报警输出。MAX6640带有风扇失效检测，通过SMBus 2线串行接口读取数据并进行编程设置。MAX6640通过控制PWM的占空比调整风扇的转速，PWM信号控制直流无刷风扇的电源电压或带有转速计的风扇的速度控制输入。图3是MAX6640的典型应用。

图3  开关型风扇控制器

风扇控制芯片的PCB布局

　　风扇控制电路的布局对于保证系统的可靠工作非常重要，以下给出了一些电路板布局中的注意事项：

　　·芯片应尽可能靠近远端二极管。在噪声环境中，比如计算机主板，这种距离可以为4 英寸至8 英寸或者更长，最好能够远离噪声源(比如CRT，时钟发生器，存储总线以及ISA/PCI总线)。

　　·不要将DXP连线布在与CRT的偏转线圈相邻的地方。同样，布线不要跨过存储器的高速总线，否则会很容易引入+3℃的误差，即使提供了良好的滤波也无济于事。除此之外，其它噪声源的影响要小得多。

　　·DXP与GND的走线保持平行，并相互靠近，同时远离任何高压走线，比如+12V直流电压线。避免影响PCB，产生较大的漏电流。DXP与地之间的20MW的泄漏路径可能造成大约+1℃的误差。

　　·使用尽可能少的过孔和跨线，降低铜/焊点所产生的热电偶效应。

　　·如果引入了热电偶，应确保DXP与GND路径上具有匹配的热电偶。通常，PCB产生的热电偶不会带来严重的问题。铜/焊点热电偶具有3mV/℃的灵敏度，产生+1℃的测量误差，会在DXP/GND产生大约200mV的电压误差。因此大多数寄生热电偶误差被淹没掉。

　　·使用宽引线，较细的引线具有较高的寄生电感，易于拾取辐射噪声。建议根据实际条件，尽可能采用10mil甚至更宽的引线和引线间距。

　　·在DXP引线与携带高频噪声的信号线之间铺设隔离地线，有助于降低EMI。

参考文献：

1. MAX6640数据手册，Maxim公司
2. MAX6651数据手册，Maxim公司