新一代热管理和风扇控制:可编程解决方案

　　今天的热管理系统是由多种分立器件构成的：用于PWM生成的MCU(大的风扇控制系统会有多个)，用于温度传感的MCU(分享或专用)，以及主应用处理器(CPU，FPGA，ASIC等)，其和主应用程序共同管理风扇转速。对大型终端产品，如底盘基础通信系统，通常他们的热管理系统方案都非常复杂，由许多个分立器件构成。在更小体积的产品中，解决方案通常仍由多个离散器件构成，但简单得多。在这篇文章中，我们将探讨如何正确使用可编程片上系统方案，如赛普拉斯的PSoC技术，来简化先进的热管理系统方案，此方案可以集成几乎所有这种应用的分离器件，从而节省BOM成本，并且可以具备新的功能，大大提高了最终产品的可靠性和市场化，使这些产品更有竞争力。

　　可编程方案不限制传感器接口数量和种类

　　在大功率工业或通讯系统中，典型的挑战就是控制应用的热环境。实现这些控制的第一步是知道实际的环境—温度感应。在测量温度时有两个选择：模拟或数字温度传感器。可以有高低端两种选择，所以无论你需要测量到+ / - 0.1摄氏度还是标准+ / - 1摄氏度都有足够好的结果，然后根据实际因素决定尺寸、距离和成本。二极管或晶体管是最便宜的实现模拟温度传感器的方式，它也是尺寸最小的，然而，二极管和ADC电压测量设备之间的距离是很重要的，因为我们正在谈论的是微伏测量。到目前为止，最受欢迎的数字温度传感器是I2C 前端温度传感器，其集成了ADC，二极管温度传感器和I2C接口来提取温度值。数字温度传感器对于远程测量是很有意义的，但比简单的二极管要贵得多。还有热电偶(其对于环境温度传感是很好的)，热敏电阻，基于PWM的数字温度传感器和许多其它的类型。

　　片上系统器件包含了可编程数字和模拟功能，可以连接到任何不同形式的温度传感器，使用一颗密度足够大的器件，你也可以连接到比离散固定功能MCU器件多得多的传感器。这使得系统工程师或结构工程师可以真正关注设备的功能，可以用最低的成本来支持你的需要。此外，当减少了热设计温度传感器数量的限制，在应用中就可以容纳更多的测温点，更好地了解热力学条件，通过优化风扇转速控制真正优化风扇位置、速度和算法来降低系统成本、功耗及噪音。

　　可编程方案具备独特的风扇控制能力

　　风扇控制，不管是 3线还是 4线风扇，基本上都是通过PWM接口实现的，调整PWM周期占空比来调节实际风扇速度。典型的系统风扇并不多，一般小于四个，利用MCU内置的PWM控制每个风扇的速度，当风扇超出PWM外设所支持的数目时，再用一个PWM接口来支持多个风扇。这很管用，在风扇控制功能中，已经成为事实上的标准，然而，自主风扇控制限制了我们所能进行的控制和优化。另外，为了计算实际风扇转速，每一个风扇输出一个转速信号，要接到定时器或计数器来确定风扇的RPM速度。在大多数应用中，并不在乎所用风扇的确切RPM速度，这个信号在判断风扇失速或转子发生锁故障时是非常重要的。

　　基于可编程逻辑的方案消除了典型MCU的限制，可以比其他任何离散解决方案自主控制更多的风扇。此外，还具备独立控制和监控特定系统中每一个风扇的能力:1)实现基于硬件/逻辑的闭环速度控制; (2)优化每一个风扇的速度，从而可以减少噪音和功耗，确切的保持系统需要维持的目标温度;最后3)基于PWM占空比和实际RPM速度实现先进的风扇故障预测和风扇老化算法。

　　基于硬件/逻辑的闭环速度控制就是使用可编程逻辑实现PWM外设和风扇多个转速计输出到中央计数器模块，在固件指令的配合下，设置并保持每个风扇的占空比。这个功能通常是由MCU控制风扇固件实现，或者着终端应用工程是花费几周的时间来根据应用描述风扇占空比，从而只需要关心占空比。这个描述过程是很缓慢的，每一个新的包装设计或终端应用都必须重新调整，因为他们的形状结构是不同的。

　　可编程逻辑解决方案可以实现多个PWM(脉宽调制)和计数器外设，嵌入式工程师可以实现系统中每一个风扇单一的，专门的PWM(脉宽调制)，共享一个通用计数器。使用正确的可编程逻辑，还在简单计数器使用上增加了智能转速计功能，可以得到预期的RPM速度并自校准每一个PWM的占空比，维持理想的速度。使用这种方式实现，增加了额外功能，这是使用标准MCU固件控制方法不可能做到的，如高精度风扇转速控制，减少噪音和功耗最小，以及预测风扇故障和风扇老化算法可以很容易实现。

　　风扇会不准确，要经常维护，通常，根据特定PWM周期反馈的RPM速度会有+ / - 10%或更多的错误。对于一个闭环回路，硬件控制系统，设计人员可以轻易获得并维持1%精度的RPM速度，没有很高的延时，如果是固件实现，那么会导致难听的风扇振动声音。此外，风扇相对于PWM占空比调整反应也会变慢。为了减少下冲和过冲数量，可以引入快速硬件控制系统，如果没有纠正也会导致难听的振动声音，还应该使用衰减系数。例如，赛普拉斯发布了智能风扇控制组件和应用笔记，使用的是PSoC器件和PSoC Creator软件，实现了上面讨论的硬件控制风扇管理系统。在这个例子中，工程师可以定制自己的风扇控制方案，只需要简单的设置系统参数，如衰减系数、容限、控制类型，在这个组件中，进而配置适当的可编程逻辑与固件API调用(参阅下文图1)。