本文概括地描述了新的飞思卡尔RS08 KA系列微控制器(MCU)如何用于冷却扇系统。微电子处理功率每年都在增加,使工程师们能够持续提高他们的设计性能。随着处理操作和速度的提高,系统冷却的重要性也日益提高。
在底盘冷却和高性能微处理器冷却应用的情况下,直流风扇得到广泛应用。过去,直流冷却扇由简单的马达驱动器控制,并根据单一合理速度进行了优化。这种非自适应风扇的设计很难满足当今电子产品的需求。最佳冷却应该能使冷却扇的速度随环境温度的变化而变化。
直流冷却扇通常分为两种类型:有刷和无刷。有刷直流冷却扇也被称为传统的直流扇,在直流扇上,有两个或多个磁极的永久磁头附在发动机轴的定子上。发动机的转由线圈绕组组成,并与机械换向器(刷子)连接。给马达通上直流电就可以为线圈提供电能,感应磁力转动转子。随着转子转动,刷子围绕换向器触点移动,这样下一个线圈绕组就获得了电能,转子因此就会继续旋转。
无刷直流(BLDC)冷却扇一般由附在转子上的永久磁头组成,并且马达轴上安装这种定子相位的线圈绕组。BLDC的转子上没有刷子,交换在某个转子位置上以电子方式进行。
有刷直流冷却扇比无刷直流冷却扇多一个庞大的转轮设计,因此一般来说,BLDC冷却扇拥有更有效的电能到机械能的能量转换。此外,有刷直流冷却扇易遭受机械磨损。
本文重点解决BLDC冷却扇的实施问题以及低成本微控制器(MCU)是如何增强风扇功能的。BLDC冷却扇设计的一个局限就是印制电路板(PCB)区。大部分冷却扇都要求把所有电子设备隐藏在发动机轴中,这样设计师必须选择一个低针脚计数和体积更小的设备。其次,冷却扇是一个成本敏感的应用,因此建造材料(BOM)必须能维护低水平,以缩小电路板的尺寸、降低成本。
飞思卡尔半导体最近专门针对成本敏感的应用市场,推出新的8位MCU体系架构。新体系结构名为RS08,其中央处理器(CPU)是专门为在低系统资源环境中有效运行而设计的S08 CPU内核的简化版。在大部分低成本MCU可用的情况下,其系统RAM和诸如闪存等的编程空间都是十分有限的。高效的CPU设计对改进软件代码密度,及在不影响整体性能的情况下维持RAM的低利用率是非常重要。
为这种BLDC冷却扇设计选择的RS08产品是MC9RS08KA2。MCU拥有8位计时器、模拟比较器、键盘中断以及内部时钟源代码模块。该模块可在高达10MHz的总线频率下运行,且无需外部水晶时钟。该产品为8针脚的3x3 DFN封装。此MCU亦能与其它更高端的飞思卡尔HCS08 MCU针脚兼容,如MC9S08QD4和MC9S08QG4等。MC9RS08KA2是BLDC冷却扇设计的最佳选择。
图1 电压调节
图2 双相电机
图3 温度感应器
马达控制操作
一般的BLDC冷却扇使用双相BLDC马达,每个马达相位上都有一个极对。每次交换对转子进行90度旋转,4个交换步骤完成一个机械周转。每个极对由两个线圈实施,一个双相马达总共有4个线圈。线圈彼此之间呈直角放置。
给备用线圈对接通电流可诱发磁场,推动同极转子磁性远离带电线圈,同时相对极转子磁性被吸向线圈方向。此时,旋转开始,这叫做一个交换步骤。当转子磁极与带电线圈一致时,去活线圈,这时以前不带电的线圈获得电能。由于磁场被切换到下一发动机位置或磁极时,转子的惯性使马达保持运转。因此,两个交换步骤可以使转子旋转180度或一个发动机相位。一个机械旋转包含四个交换步骤。
为了简便起见,备用线圈对被系在一起,实现了与线圈驱动器的单一连接。因此,双相马达只有两个连接,每个连接都与一对交流线圈连接。MCU MC9RS08KA2用于控制交换顺序,它执行线圈驱动器的辅助输出,以描述的方式为马达线圈提供电能。线圈驱动器是一个简单的功率NPN晶体管选通电路。直流冷却扇设计的块状图如图1所示。为了避免马达锁闭,相邻线圈不能同时获得电能。空载时间(即所有线圈都不带电)必须加到每个交换步骤之间。
一个交换步骤可以促使马达进行90度旋转。控制每个交换花费的时间可以有效控制马达的总速度。交换步骤包括空载时间延迟和线圈供电时间,可以被认为是一个脉冲宽度调制(PWM),其中PWM周期时间决定了马达的速度。
当进行交换时,何时为相邻线圈供电的时间就显得非常关键。线圈对供电时间太长将使马达失去惯性,致使马达锁闭。然而,如果转换切换太快又将使转子失去控制,最终使马达停止旋转。因此,必须监控转子位置。
转子位置检测的常见技术是在距定子线圈45度的线圈之间放置一台霍尔传感器。当磁场磁极变化时,霍尔传感器就会切换输出模式。MC9RS08KA2具有键盘中断(KBI)特性,其可编程边缘触发方向的特性允许通过简单变换每个交换步骤的KBI触发方向,有效检测霍尔传感器的上升和下降沿的位置。
霍尔传感器输出模式的切换表明,转子已经通过一对线圈感应磁场的最佳点。然后MCU切断所有线圈的电能,允许转子凭惯性运行一会儿。当它更接近下一个相邻线圈对时,线圈就获得电能。转子被吸向下一线圈对,这样旋转就得以维持。图2阐释了霍尔传感器输出与交换顺序之间的关系。
反馈控制
基于MCU的设计应该拥有进行关闭回路控制的足够处理带宽。片上MCU计时器可用于监控交换持续时间或PWM周期。如果马达速度高于目标值(即PWM周期短于目标值),空载持续时间会延长,直到达到目标PWM周期。同样,当马达速度低于目标值(即PWM周期长于目标值)时,空载持续时间就会缩短。
交换持续时间可以从霍尔传感器输出中推算出来。我们可以进行一个简单的图示,如果目标风扇速度范围在1000至4000rpm之间,那么交换持续时间就分别在15ms至3.75ms之间。选择MCU计时器分辨率可以决定每个需要测量的交换的分辨率。例如,如果计时器分辨率选为64us,那么交换分辨率就是64us。然后,3.75ms等于56个计时器计数,15ms相当于234个计时器计数。这表明,简单的8位计时器足以覆盖风扇速度的动态范围。
MC9RS08KA2总线频率最高可运行在10MHz,片上计时器时钟可?淖芟呤敝臃制党??恚?分频因子的编程预置范围是??1至256。再看看上面的这个例子,如果MCU运行在4MHz的总线频率,计时器预置分频因子为256,那么计时器分辨率就是64us。这表明MCU已有足够的处理功率?泶?理这项任务。直流冷却扇设计人员可以灵活地选择风扇速度和它的动态范围。
就像前面讨论的那样,好的冷却扇设计应该允许风扇速度随环境温度而变化。温度信息可直接通过温度传感器进行测量。温度传感器是一种正向偏压二极管,其正向电流随环境温度的变化而变化。具有固值电阻器的分压器配置可以将电流变动转换为电压,允许MCU直接测量它。
许多MCU都提供片上模数转换器(ADC)模块。如上例所示,4,000rpm风扇的交换持续时间大约为3.75ms。如果MCU运行在4MHz的总线频率上,3.75ms需要15000CPU的总线周期,这表明CPU带宽是充足的。相反,可选择一个仅包括模拟比较器的低成本MCU,如MC9RS08KA2。
比较器的负极终端可用作仿真ADC功能的ADC输入,它就是温度传感器电阻阶梯。而正极终端就连上简单的电阻电容(RC)阶梯。如图3所示,当ADC未测量或处于闲置状态时,电容C就通过把正极终端转换成输出端口功能和驱动低电压完全放电。当测量开始时,比较器启动,终端转为模拟输入,整个电容器C的电压开始缓慢上升。
片上计时器模块用来测量把RC充电到与负极终端设备相匹配的水平或温度传感器的电压水平所花费的时间。假如RC充电时间已知,那么使用简单数表检查方法,温度值就可以通过所记录的计时器读数推算出来。
这个温度值决定了目标交换时间或风扇速度。环境温度只需在每一圈的马达旋转测量一次,并更新?砜刂葡呷?供电的目标交换时间。闭路控制基于霍尔传感器输出来调节空载持续时间,这样,交换时间将逐渐转移,尽可能地与目标时期相匹配。
本文小结
近年来,MCU的价格障碍已经大幅下降,因此,为MCU使用直流冷却扇设计已经非常普遍。基于MCU的解决方案为设计者提供了一个更为灵活的控制算法,使一个硬件就能够为多个不同的发动机类型进行定制。考虑到MC9RS08KA2是基于MCU的闪存存储器,风扇速度和温度之间的关系可以定制,使冷却扇在不同的环境中运行。
8位MCU通常能够为马达驱动器提供足够的处理带宽,且可以在无需增加任何成本的情况下添加其他功能。故障检测是一个普遍的选择。在很多情况中,设计者都要求确定发动机故障,如转子堵塞等。当出现这种情况时,MCU就可以终止移动,避免对马达造成进一步的损坏。也可以使用蜂鸣器告警或者其它方法通知使用者。飞思卡尔的MC9RS08KA2是冷却扇应用的不二选择。它是一款成本低、体积小然而功能又非常丰富的设备。它在超低价位上实现了真正的8位处理功率。
作者:Vincent Ko
系统及应用工程师
飞思卡尔半导体
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