摘 要：如今的系統要在越來越小的封裝內實現不斷增加的性能，系統熱耗散成為了一個十分嚴重的問題。為了避免熱關機甚至系統故障，維持適當的溫度十分關鍵。因而，許多系統需要外加風扇來保持足夠的空氣流通。本應用筆記介紹了風扇控制模塊" title="控制模塊">控制模塊的概況，提供了一個利用MAX6870監控六個風扇的簡單控制電路。
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風扇模塊概述
大型電信、網絡系統經常使用高性能處理器，從而在一個簡單的機架上實現更多功能。例如，一個曾經支持12條ADSL的線卡現在可以支持64條，之前能夠耗散24W (每條ADSL為2W)功率的電路板現在必須耗散128W的功率。用強勁的冷空氣氣流降低相關熱阻，以達到散熱要求。
大多數電信系統包含很多風扇。為保證在一個風扇出現故障的情況下系統仍能正常工作，系統經常放置超過理論所需數目的風扇(N+1結構)，這樣，一個系統可能會用到6至8個風扇。每個風扇都有自己的電源，使風扇可以很容易地替換而不需要關閉整個系統。一個子機架風扇組(圖1)可能包括多個風扇模塊(譬如6個)，它們由-48V" title="48V">48V電池總線供電，且由一個風扇控制模塊統一控制。
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圖1. 典型的子機架風扇模塊
基本的風扇模塊(圖2)包含一個隔離型DC-DC轉換器，根據風扇類型它可以將-48V電池電壓轉換成+12V或+24V。在轉換器之前使用一個熱插拔控制器，允許在系統不掉電的情況下更換風扇。同時每個風扇為控制模塊提供一個與轉速成比例的數字輸出(PWM或PFM)。
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圖2. 風扇模塊的系統框圖
這種類型的風扇系統可以有很寬的芯片選擇范圍。各種各樣的熱插拔控制器可以滿足不同性能級別的需求。譬如，Maxim的MAX5901只提供一個簡單的解決方案，而MAX5920則可以提供更高的精度，這兩種控制器都可以直接由-48V驅動。隔離電源可以選擇MAX5021；內置功率MOSFET的高集成度" title="高集成度">高集成度轉換器可以選擇MAX5043，它只需要一個變壓器、一個電容、一個輸出二極管和幾個電阻就可以提供50W的輸出功率，而且不需要散熱片。
風扇控制單元可以集成到系統內部，這種控制方式需要給多個風扇模塊提供一個接口，同時還必須能夠檢測每個風扇模塊是否工作正常。當一個風扇出現故障時，它必須能夠通知主控制單元。另外，我們還希望它能夠診斷并定位究竟是哪個風扇出現了故障。這種控制器可以通過很多方式實現上述功能。例如，通過計時器和分離器件組成的陣列來實現。但隨著風扇數量的增加，分離器件的數量也增加，增大設計難度。另外一種方法利用微處理器(μC)的I/O口，可以減少分離器件數目，但需要適當編程。
第三種而且也是相對簡單的替代方法是使用高集成度、EEPROM可配置、內置ADC的16位可編程" title="可編程">可編程電源排序器/監控器。例如，MAX6870，它包括6路可配置的輸入電壓檢測器、4個通用輸入、2個看門狗、8個可編程輸出以及4kb用戶EEPROM?？梢酝ㄟ^I2C兼容串行接口進行讀寫和編程。除了檢測電壓、看門狗信號、外部溫度以及其他邏輯輸入信號外，該器件還能實現諸如風扇控制的功能，最多可同時檢測10個風扇。
6風扇控制系統
為了便于闡述，我們先介紹一個風扇的控制系統，然后擴展到6風扇系統。
我們定義報警信號用于判決被檢測風扇是否轉動。目前大多數風扇都可以提供一個集電極開路輸出信號(VOC)，它通過一個電阻上拉到外部電壓(VS) (本例從4V上拉到30V)。風扇每轉一圈，該VOC輸出幾個(M)幅度在0V到VS間的脈沖(圖3)。
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圖3. 圖2風扇模塊的輸出
如果風扇以每秒N轉的速度轉動， 則VOC每秒產生N × M個脈沖。輸出是一組頻率為N × M赫茲的方波。如果將該輸出接至MAX6870的一個可編程輸入端，當風扇停止轉動時MAX6870的其中一個輸出端PO_將提供指示。
如果VS = 5V，輸出脈沖的范圍就是0V到5V。根據風扇停止時的電壓(VS或0V)，設定輸入欠壓或過壓門限為2.5V，譬如當輸入電壓高于(低于) 2.5V時監控器輸出為“真”。該配置下，當風扇開啟時，PO_輸出不被觸發，輸出端產生5V到0V的連續脈沖。如果風扇停止轉動，則觸發輸出，電壓將保持高電平或低電平，具體取決于風扇的工作極性設置。
這個方案重要的一點是選擇一個尖峰濾波器為每個PO_輸出提供合適的時間常數" title="時間常數">時間常數。該濾波器一定要能容忍由于風扇電源抖動造成的頻率脈沖突變。對于MAX6870而言，所需的時間常數在25μs到1600ms之間。
例如，當M = 2， N = 54rps時， VOC的脈沖頻率為108赫茲，周期為9.26ms。如果需要嚴格控制風扇，選擇PO_抗尖峰時間常數為25ms，大約是1.35轉?？紤]到風扇電源的波動(以及任何熱效應的影響)，如果風扇停止轉動約2秒鐘，則認為風扇已經出現故障。在這個例子中，1.6秒的暫停時間比較合適。這意味著PO_報警會在風扇出現故障后變高(或低，取決于編程設置) 25ms或1.6s。
上述例子說明了一個風扇的控制。對于6風扇系統，仍可使用MAX6870，并擴展到6個輸入和6個輸出。假設每個風扇模塊都有獨立的轉速輸出，我們可以使用上述架構用一個控制器分別控制每路風扇。輸出可以定義為開漏和線或方式，提供一路報警信號(圖4)。如果需要將信號極性反相或在觸發報警前插入額外延時，可以將上述信號連至一個GPI_和多個PO_，并且增大時間常數。
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圖4. 基于MAX6870電源排序器/監控器的6風扇控制器
器件配置通常是一件十分耗時的工作，而MAX6870不需要軟件工程師為微處理器或其他器件編程。Maxim提供圖形界面的評估板，大大簡化了配置過程(圖5)。
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圖5. MAX6870編程界面
通過簡單地指向界面中的某一個模塊并輸入適當的數值(如輸入信號、時序等)，工程師可以十分容易地配置MAX6870。經過適當配置后，點擊“"Load to Memory”按鍵對芯片裝載設置。MAX6870是第一款為復雜系統設計的多輸入控制器。由于精度高、易于編程等特點，大大簡化了系統設計。