电信应用中可编程风扇控制系统的设计

2007-06-26 14:25:13来源: 电子系统设计
如今系统的封装越来减小而性能不断地提高,因此功耗成为一个日益严重的问题。在防止热关闭,甚至系统出现故障方面,保持合适的温度已经变得很关键。现在很多系统要求额外增加风扇以保持足够的空气流动。

大的电信和网络系统常常采用高性能处理器,这些处理器单独封装且功能更强大。例如,以前一种支持12 根ADSL线的线卡现在能支持64根线。结果,以前散热24W(每根ADSL线耗散2W) 的电路板现在必须耗散128W。加强冷空气流动降低有关热阻的方法可以达到该散热水平。

多数电信系统包含有大量风扇。为了确保在风扇出故障时系统能正确工作,通常安装的风扇数目比需要的多(N+1结构),因此,一般系统可能需要6~8个风扇。每个风扇都有各自的电源,这样不用关闭系统即可方便地更换风扇。一个子架(见图1)包括多个风扇模块(本例中为6个),由-48V电池总线供电,由一个风扇控制模块监测。

基本风扇模块(见图2)包括一个隔离的直流/直流变换器,根据风扇的不同,该转换器将-48V电池转换成+12V或者+24V。转换器之前有一个热交换控制器,使可以在不切断系统电源的情况下更换风扇,而每一个风扇产生与其转速成正比的一个数字输出(PWM或PFM),供控制模块使用。

在这种风扇系统中可以选择使用多种IC。例如,有众多不同性能水平的热交换控制器可供使用,美信(Maxim)的MAX5901就是一个简单的解决方案例子,而MAX5920的准确度高。两者都可直接在-48V电源下工作。对隔离电源,可以选择如MAX5021的部件,对带板上MOSFET电源的高度集成转换器,可以选择如MAX5043,该部件只需要一个变压器、电容、输出二极管,以及少数电阻来产生50W功率,而不需要散热片。

可以集成一个风扇控制单元来完成该系统。这种控制必须提供一个与多个风扇单元的接口,并且必须能够检测是否某一个单元工作不正常。当某个风扇出现故障时,它必须给主控制器发出标记信号。希望能够分析并确定哪一个风扇出现故障。可有多种形式的这种控制器。例如,可以与时钟阵列和附加的独立元件组合实现。然而,随着风扇数量的增加,独立元件的数量也会增加,使这种方法不够理想。另一种单个微控制器上有多个串行I/O的技术可以最大限度减少元件的数量,但需要正确编程。

第三种方法相当简单,它使用MAX6870,该器件是一个高度集成、可EEPROM配置、可编程的带ADC的16进制电源序列发生器/监测器。该器件包括有6个可配置的输入电压检测器、4个通用输入、两个可配置的看门狗、8个可编程输出及4Kb用户EEPROM。它们都可通过兼容I2C-的串行接口访问并编程。除监控电压、看门狗信号、外部温度和其他逻辑输入信号外,器件还能完成如风扇控制器的功能,可监控多达10个风扇。

实现步骤

我们首先介绍一种单风扇系统,然后将该系统扩展到具有6只风扇。

1.首先,定义一个指示被检测风扇停止的报警信号。当前可用的大多数风扇提供一个集电极开路(Voc)输出信号,使用一个电阻可将该信号拉升到一个外部电平(Vs)。(我们的例子中拉升水平为4V到30V)。在风扇每转期间,该Voc数次(M次)输出0V到Vs脉冲(见图3)。



如果风扇以每秒N转的速度旋转,则Voc每秒产生N*M个脉冲。输出是频率为N*M Hz的方波。如果将此输出连接到MAX6870的可编程输出之一上,则当风扇停止转动时,其某个PO_输出生效。

例如,如果Vs=5V,则输出脉冲在0V到5V之间。根据风扇停止时的电压不同(Vs 或0V),可将输入低于(或过电压)阈值为2.5V,这样,当输入电压大于(小于)2.5V时,监测输出为真,(反之亦然)。在本配置中,当风扇旋转时,PO_输出失效,输出电压在5V和0V之间连续变化。如果风扇停止旋转,则输出生效,此时根据风扇有效极性编程的情况,电压保持为高或者为低。

2.在本实现中,选择能够对各PO_输出具有正确的时间常数的低频滤波器很重要。然而,滤器器必须能够承受因风扇电源振荡引起的频率脉冲瞬变。对MAX6870,所需时间常数在25ms到1,600ms之间。

考虑例如M=2而N=54 rps的情形。Voc脉冲频率因此为108 Hz,,而脉冲周期约为9.26 ms。如果要精确控制风扇,则选择PO_抗尖峰脉冲时间常数为25 ms,该值相当于风扇转动1.35转。考虑到风扇电源振荡(以及其它任何因热特性引起的制约),如果风扇停止了约两秒钟,可认为风扇出现故障。对本例,可以选择停止时间为1.6秒。即,风扇故障出现后25 ms或者1.6s,PO_报警信号变高(根据编程的不同,或者为低)。

3.上例表明了怎样在单风扇中实现该功能。对6风扇系统,我们仅使用一个MAX6870,而将上述情况扩展到6个输入和6个输出。假设每一个风扇单元都具有一个独立的转速计,该排列方法可以允许6个风扇各用一个监视器。输出可以配置为漏极开路,一起“或”起来提供一个报警信号(见图4)。如果需要反向极性信号,或者在报警生效之前有一个额外延迟,可以将上述共同信号连接到一个GPI_引脚以及另一个PO_输出,再增加一个时间常数。

4. 对有些人来说,配制这样的器件可能显得需要耗费大量时间,然而,MAX6870并不需要软件工程师来设计和写代码来控制微处理器或其他器件。Maxim提供有评估套件,该套件的图形用户接口肯定会简化配制过程(见图5)。

对没有软件编程经验的工程师或其他用户,只需要简单地指向某一接口模块,键入合适的值(输入信号、时间,等),就可以方面地配置MAX6870。一旦觉得配置满意,用户就可以简单的点击系统的“Load to Memory”(“装入内存”)按键,对IC编程,就可以在应用系统中使用。

本文小结

我们在本电路中使用MAX6870,该器件是第一个为复杂系统监测设计的多输入控制器,精确并且可以配置,简化了新式系统的设计。

关键字:封装  散热  隔离  电容

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/network/200706/14360.html
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