带故障检测的PWM风扇转速控制器MC642

2006-05-07 15:49:34来源: 国外电子元器件

1 概述

MC642是美国安森美公司(ON Semiconductor)最新推出的脉宽调制型(PWM)直流电机风扇转速控制IC,它能提供与湿度成正比的速度控制。与输入引脚VIN相连的热敏电阻可为PWM占空比提供从0%到100%变化时所需的1.25V到2.65V的控制电压。VIN引脚上的电阻分压器可用于设定电机的最小风扇速度。当系统退出关断模式或发生瞬时故障时,MC642内部的启动定时器能够可靠地启动。当风扇电机出现故障、开路或风扇未连接等情况时,MC642能够主动触发内部的启动定时器,如果故障继续存在,则FAULT输出变低,芯片将被锁定在关断模式。

MC642的主是特点如下:

●具有节能的关断模式;

●支持廉价的负温度系数/正湿度系数电阻(NTC/PTC);

●转速与湿度成正比;

●噪声低,风扇寿命长;

●风扇供电电压独立于MC642的供电电压;

●内含故障检测电路,可检测风扇故障;

●工作温度范围为0℃~85℃。

MC642可广泛应用于电源、PC机、UPS、功率放大器等系统中的电扇控制。

2 引脚功能

MC642具有SO-8和DIP-8两种封装形式,各引脚的功能如下:

VIN(1脚):该引脚与热敏电阻(或其它温度传感器)相连,1.25~2.65V的电压变化可使VOUT引脚得到0%~100%的占空比变化。

CF(2脚):该引脚接PWM的斜波发生器定时电容。与1μF电容相连时,其PWM工作频率为30Hz。

VMIN(3脚):与外置电阻分压器相连,通过设定最小占空比来确定最小风扇速度,当0≤VMIN≤VSHDN时,MC642进入关断模式。在关断模式,FAULT的输出不起作用,此时的输出电流降至25μA;当VMIN≥VREL时,MC642退出关断模式。(VSHDN=0.13VDD,VREL=0.19VDD)。

GND(4脚):地线。

SENSE(5脚):当风扇旋转时,通过传感电阻可在该脚测到脉冲串。如果该脚检测不到脉冲,则说明有故障存在。

FAULT(6脚):输出端故障(开集电极结构),当FAULT输出变低时,表明有故障产生。器件进入关断模式,直至故障清除或重新上电。如果需要硬件关断,可将FAULT连至VMIN引脚。这样,当PWM的占空比达到100%时,虽然FAULT变低,但器件不会自动锁存。

VOUT(7脚):PWM信号输出,其PWM的互补输出信号应连到外部电机驱动NPN晶体管的基极。

VDD(8脚):电源供电端,可用不同于风扇电源的另一个电源提供。

3 工作原理

MC642的工作原理及引脚排列图如图1所示。下面对其内部的组成原理加以说明。

3.1 PWM电路

PWM电路由斜波发生器和阈值检测器组成。其PWM频率由CF输入脚上的电容决定。在30Hz频率时,推荐使用1μF的CF。同时,该PWM频率也是启动和故障定时器的时基。

VOUT可驱动NPN晶体管或N沟道MOSFET管,而且通常采用非对称的互补方式来驱动。由于系统使用的是PWM而不是线性电源控制方式,因此,系统的功耗非常小,故可使用TO-92或SOT封装的元件。

3.2 启动定时器

为了保证风扇能够可靠地工作,如果风扇由静止启动,自动定时器将在32个PWM周期后输出VOUT。如果PWM的工作频率为30Hz,则启动时间大约为1秒。一旦检测到故障信号,器件立即触发启动定时器,并进入关断状态。

3.3 关断控制

如果VMIN低于VSHDN(VSHDN=0.13VDD),则MC642进入关断械。也可以在VMIN引脚上加一个开漏逻辑信号或一个外部晶体管来实现关断,具体电路如图2所示。当VMIN小于VREL(VREL=VDD×0.19)时,器件控制功能失效。当VMIN小于VSHDN时,器件进入关断或复位状态。此时FAULT端无输出。这种关断是绝对的,即无论VMIN是否有电压,风扇均不工作。

3.4 SENSE输入

SENSE应连到作为风扇电路接地端的低阻值的电流传感电阻上。风扇正常工作时,风扇电流在传感电阻上产生中断并形成一系列脉冲。如果器件在不关断模式,而SENSE输入端又无脉冲,则表示出现了故障。风扇电流的变化(di/dt)将引起传感电阻RSENSE上的脉冲电压的变化(dv/dt)。脉冲序列的出现及频率变化是风扇正常工作的直观表现。

3.5 FAULT输出

MC642检测故障有两种方法:

(1)当PWM工作时,送到SENSE的脉冲由遣漏脉冲检测器滤波。如果在32个PWM周期内(对应CF=1μF的1秒时间)检测不到连续脉冲,则触发器件内部的诊断定时器,且VOUT在3个PWM周期内继续输出,此时为瞬态故障状态。如果3个周期内仍检测不到脉冲,则触发启动定时器,若此时仍检测不到脉冲,则PWM停止工作,且FAULT变低,此时器件锁存在关断模式,且一直处在这一状态。应当注意的是:在这种情况下,只有让VMIN瞬时低于VSHDN或系统重新上电才能使风扇重新启动。图2中的D1、D2和R5可用来完成芯片的重新启动。

MC642也可实现连续重新启动。如图2所示,在FAULT与VMIN之间连一只0.1μF的电容即可在出现故障时,由MC642自动地试图重新启动。这在某些系统设计中可能会有这种要求。

(2)当加到VIN上的PWM控制电压大于100%占空比时,也会使FAULT变低。这表明风扇处于最大驱动状态或系统过热。其原因可能是冷却系统出现故障、风扇轴承故障或空气对流有问题。此时的FAULT可用于系统靠警,但风扇仍然工作。如果希望关断系统,则可将FAULT连至VMIN。

4 应用电路

应当注意:MC642的外围电路设计应从以下几点考虑:第一要考虑的是温度传感器在1.25V~2.65V的输出电压时应对应0%~100%的占空比;第二要考虑风扇最小速度的设定;另外,输出晶体管和相关电路也应仔细选择;

在选择RSENSE、CSENSE时,既要考虑效率,也要考虑信号幅度。图3所示是由CSENSE和RSENSE等组成的传感网络电路。由RSENSE和CSENSE组成的网络使得MC642能够检测风扇电机的运转情况。该网络是微分型和阀值型检测器。由RSENSE把风扇电流转化成电压,再与CSENSE交流耦合,并为SENSE引脚提供一个以地为基准的信号输入。CSENSE应选用0.1μF的瓷片电容。CSENSE的值越小,则需选用的RSENSE值越大。

表1列出了CSENSE为0.1μF时,RSENSE与风扇电流的关系。表中的电流是风扇实际工作的平均电流。风扇厂家提供的风扇电流不是其正常工作电流,而是在最恶劣工作条件下的最大电流。如果风扇电流位于表1中的两个值之间,那么选用较大的电阻值,一般可使RSENSE上的信号幅度达到450mV。

表1 风扇电流RSENSE的对应

风扇电流(mA) RSENSE(Ω)
50 9.1
100 4.7
150 3.0
200 2.4
250 2.0
300 1.8
350 1.5
400 1.3
450 1.2
500 1.0

图4为MC642的典型应用电路,其中R1、R2的选取可依据NTC的具体参数来定。如果NTC在最低温度时为4.6kΩ,最高温度时为1.1kΩ,则R1可选75kΩ,R2可选1kΩ。可用R5和R6来设定值小风扇速度,如果VMIN为1.8V,分压器电流不大于100μA,则R5应为33kΩ,R6应为18kΩ。对于输出电路,如果最大风扇电流为250mA,Q1的β值为100,则R7为1.5kΩ

图5给出了一个MC642用于微控制器外设的系统实例。在由单片机或微控制组成的系统中,MC642作为微控制器外设风扇控制器,它无需微控制的介入,即可有效地完成风扇控制功能。微控制器根据接收到的系统中的一个或多个点的温度系数和一定的算法来设定风扇的速度。处理器用端口I/O1~I/O3来控制风扇速度。R1~R6可构成一个简单的3位D/A转换器,可有于把处理器的输出变换为1.6V的直流控制信号。在VMIN为1.8V且处理器输出码来000时,其最小工作速度为最高转速的40%,在001~111时对应于最高转速的40%~100%.微处理器的漏极开路输出可以在检测到故障模式后复位MC642。FAULT输出可连接到处理器的中断输入或一个I/O引脚,以便查询操作。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1513.html
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