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机箱散热风扇的PWM计算问题

日期: 2019-05-20
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  散热风扇应用于很多的机械,其中在电脑中的应用使我们都非常熟悉的。机箱散热风扇在电脑中的运转可能会有不同的模式,其中有一种模式是由PWM信号来进行控制的。那么在这样的情况下,机箱散热风扇的参数要怎么进行计算呢?

  在某一个固定占空比的PWM信号下,R6上的压降是定值,大小等于(vref-Vbe);R7与R8组成的分压电路被用于监控输出电压的变化,目标输出电压等于[Vref*R8/(R7+R8)]。当输出电压偏高或者降低时,由R7和R8逐级上报,然后T2进行分析之后做出决策,决策由T3负责执行,这是一套负反馈系统。

  分解步骤如下:

  输出电压低于目标值==》R8的压降低于Vref==》从套管T2在R8那侧的分管流入R6的电流减小(地主家也没有余粮了)==》R6的压降[Vr6=(Vr8-Vbe)]降低==》T2在C2那侧的分管的Vbe之间的压差(Vref-Vr6)被拉大 ==》T2在这一侧的基极电流Ib增加,填补亏空==》Ib增加意味着Ic增加(Ib乘以三极管的放大倍速)==》T2的Ic等于T3的Ib==》T3的Ic增大,T3的发射极与集电极之间的压降Vce减小(往饱和区方向靠近)==》输出电压(UGBATT-Vce)增加==》反之,如果输出电压过冲之后的响应也可据此类推==》周而复始,直至达到新的平衡。

  应用这个电路时,需要注意的要点主要有以下两点:

  1)、占空比与输出电压之间的线性关系区域有限,在应用前做好仿真,最后经过实测。

  图1.12,PWM占空比与风扇转速之间的关系

  2)、线性区域的范围可以通过R5进行微调,R5对T3有保护作用,所以不建议摘除R5。

  图1.13, R5的选值与线性区间的关系

  如图1.14,通过R6也可以微调线性区域,但是R6对电路稳定性影响比较大,不建议随意变动。

  图1.14, R6的选值与线性区间的关系

  3)、这套电路的监督、反馈机制是比较弱的,从监督到执行,再到具体落实的过程,电路的控制力比较弱,原因是由T2组成的决策机构的增益不足,也就是说电路的直流增益比较小,后果是稳态误差比较大,特别当负载电流变化比较大的时候,如风扇。所以,由集成电路实现的LDO会使用运算放大器代替T2,因为运放的增益很大,如图1.9示意。

  直流增益小的后果是,特性曲线表现疲软,带载能力弱,如图1.15示意。当负载的需求波动比较大的时候,电路响应慢,对误差的控制能力弱,所以输出电压也会随负载波动而波动。我们知道风扇是感性负载,她的脾气(对电流的需求)是感性的,图1.16是实测的电压波动波形。

  图1.15, 风扇控制电路的带载能力

  放大细节:

  图1.16,风扇在运转时的电压波动

  4)、不过,风扇控制的并不要求很精确,所以这个电路应用起来没有问题,不过需要防范风扇的“脾气”发泄到隔壁负载上去,避免由感性负载所产生的噪音对系统其它模块产生的干扰。

  避免干扰的做法就是增加滤波器,在常规的电源设计之中,一般会在靠近负载端就近摆放一个滤波器。这样做的目的是为了保证进入负载的电源是干净的,特别是当负载是“敏感体质”的模拟电路,如图1.17。

  图1.17,负载的输入滤波器设计

  但是,对于风扇来说,滤波器的摆放需要颠倒过来,风扇是“熊孩子”,我们需要防止他对别人的伤害,如图1.18。

  图1.18,风扇的输入滤波器设计

  综上所述,我们可以了解到,机箱散热风扇在PWM信号下的运转是很有意思的,可以反映出机箱散热风扇的运转随其他的参数变化的规律和某些参数的计算过程。如果我们对这个问题有更深的兴趣的话,可以深入了解。


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