用于可变速BLDC 风扇控制系统的微控制器

简介
便于携带、功能丰富、性能高和小巧玲珑是大多数电子产品的显著趋势。 这些电子产品（如笔记本电脑）所产生的热量引起了人们越来越多的关注。使用冷却风扇仍然是预防电子设备过热的最为普遍、最有效的途径。
为了实现快速变化的电子产品规范，人们需要使用基于微控制器（mcu）的智能可变速度控制的无刷直流电源（bldc）风扇。可变速度控制、低噪声、可靠性、长寿命、低功耗、保护功能、维护/升级的简便性以及通信接口功能是基于闪存mcu 的bldc 的主要特征。
本文描述了bldc 风扇的可变速度控制算法，该算法包括降低噪声的方法、功耗注意事项、锁检测和自动重启、热分流和通信接口。
dc 风扇和bldc 风扇的区别
bldc 风扇与传统风扇的物理外观基本上没有什么差异。两种风扇在将电能转化成机械运动时所用的原理也相同。当直流电压应用到其终端时，风扇旋转，风扇的速度取决于终端上应用的电压。
主要区别在于它们的内部构造。两种风扇系统都要求整流，使电流流经风扇绕组，并在每旋转180 度时倒转一次。
在传统的直流风扇系统中，永磁体的定子由两个或多个永磁体极性块组成，转轴由连接到机械刷（整流器）的绕组组成。接通电源的绕组的相对极性和定子磁体吸引着转轴，然后转轴开始旋转，直到它与定子处于同一水平位置。就象转轴要达到水平位置一样，刷子在整流器触头内移动，并为下一次绕组提供动力。因此，风扇转轴就连续旋转。
然而，bldc 风扇却旋转电力机械，其中，定子是一流的两相定子，转轴拥有表面安装的永磁体。在这一方面，bldc 风扇就相当于一个呈逆时针旋转的传统直流风扇，电流极性通过电力整流器而不是通过机械刷进行更改。
由于极性翻转由与转轴位置进行同步切换的晶体管/fet 执行，因此要使用霍尔效应传感器来传感转轴的实际位置。bldc 的典型构造如图1 所示。
图1. bldc 风扇的构造
智能bldc 风扇的需求
由于庞大的转轴线圈，传统直流风扇具有更高的惰性，而bldc 风扇则因为有了永磁体而使转轴更为轻巧。由于bldc 风扇拥有更轻的转轴，能把更多能量传给载荷，就实现了更高的效率。bldc 风扇使用电力换向，因而没有传统直流风扇固有的一些问题，如旋转时整流器刷子中的机械磨损、火花和电磁接口（emi）等。
由于智能可变速度控制bldc 风扇系统能够轻松地进行配置、且具有诸如锁检测、自动重启、自动热分流等增强功能，满足了人们对现代电子产品快速变化的要求，因此，它的使用越来越广泛。
bldc 风扇中的速度控制
bldc 风扇中有固定速度控制和可变速度控制两种控制方式。
1. bldc 风扇中的固定速度控制
在固定速度控制风扇中采用了具有外部或内置驱动装置的霍尔效应传感器。
a) 具有外部驱动装置的三针脚霍尔传感器
在这种方法中，bldc 使用了具有外部晶体管/fet 的单信号输出闭锁霍尔效应传感器。通常情况下，该传感器用于bldc 风扇，因为它能为电力换流传感bldc的正极和负极磁场。该传感器包括用于磁性传感的片上霍尔电压生成器、能够放大霍尔电压的比较器、为抑制噪声提供转换滞后的schmitt 触发器和集电极开路输出。该传感器的典型配置如图2 所示。
图2. 带外部驱动装置的三脚霍尔传感器
传感器监测由转轴上的永磁体生成的磁场的极性，提供有关转轴位置的信息。该信息用来触发外部晶体管/fet 的开与关。随着晶体管的运行，bldc 风扇将连续旋转，旋转速度的快慢取决于供应电压。
b) 具有内置驱动装置的霍尔传感器
这种实施类型采用具有外部驱动装置的三脚霍尔传感器的增强版本。霍尔传感器不但包含一个与三脚霍尔传感器一样的片上霍尔放大电路，还拥有两个用于两相bldc 风扇线圈驱动的补充输出和一些额外功能，如自动锁定关闭和自动重启等。 霍尔传感器的典型配置如图3 所示。

很多bldc 风扇制造商都使用这种实施类型。这种实施的优势在于有更多的pcb主板空间可用于额外的外部组件，风扇也由于芯片上内置的基本保护功能而变得更加可靠。这种实施类型的劣势是它的驱动能