今天的熱管理系統(tǒng)是由多種分立器件構(gòu)成的：用于PWM生成的MCU(大的風(fēng)扇控制系統(tǒng)會(huì)有多個(gè))，用于溫度傳感的MCU(分享或?qū)Ｓ?，以及主應(yīng)用處理器(CPU，F(xiàn)PGA，ASIC等)，其和主應(yīng)用程序共同管理風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。對(duì)大型終端產(chǎn)品，如底盤基礎(chǔ)通信系統(tǒng)，通常他們的熱管理系統(tǒng)方案都非常復(fù)雜，由許多個(gè)分立器件構(gòu)成。在更小體積的產(chǎn)品中，解決方案通常仍由多個(gè)離散器件構(gòu)成，但簡(jiǎn)單得多。在這篇文章中，我們將探討如何正確使用可編程片上系統(tǒng)方案，如賽普拉斯的PSoC技術(shù)，來(lái)簡(jiǎn)化先進(jìn)的熱管理系統(tǒng)方案，此方案可以集成幾乎所有這種應(yīng)用的分離器件，從而節(jié)省BOM成本，并且可以具備新的功能，大大提高了最終產(chǎn)品的可靠性和市場(chǎng)化，使這些產(chǎn)品更有競(jìng)爭(zhēng)力。
可編程方案不限制傳感器接口數(shù)量和種類
在大功率工業(yè)或通訊系統(tǒng)中，典型的挑戰(zhàn)就是控制應(yīng)用的熱環(huán)境。實(shí)現(xiàn)這些控制的第一步是知道實(shí)際的環(huán)境—溫度感應(yīng)。在測(cè)量溫度時(shí)有兩個(gè)選擇：模擬或數(shù)字溫度傳感器?？梢杂懈叩投藘煞N選擇，所以無(wú)論你需要測(cè)量到+ / - 0.1攝氏度還是標(biāo)準(zhǔn)+ / - 1攝氏度都有足夠好的結(jié)果，然后根據(jù)實(shí)際因素決定尺寸、距離和成本。二極管或晶體管是最便宜的實(shí)現(xiàn)模擬溫度傳感器的方式，它也是尺寸最小的，然而，二極管和ADC電壓測(cè)量設(shè)備之間的距離是很重要的，因?yàn)槲覀冋谡務(wù)摰氖俏⒎鼫y(cè)量。到目前為止，最受歡迎的數(shù)字溫度傳感器是I2C 前端溫度傳感器，其集成了ADC，二極管溫度傳感器和I2C接口來(lái)提取溫度值。數(shù)字溫度傳感器對(duì)于遠(yuǎn)程測(cè)量是很有意義的，但比簡(jiǎn)單的二極管要貴得多。還有熱電偶(其對(duì)于環(huán)境溫度傳感是很好的)，熱敏電阻，基于PWM的數(shù)字溫度傳感器和許多其它的類型。
片上系統(tǒng)器件包含了可編程數(shù)字和模擬功能，可以連接到任何不同形式的溫度傳感器，使用一顆密度足夠大的器件，你也可以連接到比離散固定功能MCU器件多得多的傳感器。這使得系統(tǒng)工程師或結(jié)構(gòu)工程師可以真正關(guān)注設(shè)備的功能，可以用最低的成本來(lái)支持你的需要。此外，當(dāng)減少了熱設(shè)計(jì)溫度傳感器數(shù)量的限制，在應(yīng)用中就可以容納更多的測(cè)溫點(diǎn)，更好地了解熱力學(xué)條件，通過(guò)優(yōu)化風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制真正優(yōu)化風(fēng)扇位置、速度和算法來(lái)降低系統(tǒng)成本、功耗及噪音。
可編程方案具備獨(dú)特的風(fēng)扇控制能力
風(fēng)扇控制，不管是 3線還是 4線風(fēng)扇，基本上都是通過(guò)PWM接口實(shí)現(xiàn)的，調(diào)整PWM周期占空比來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)際風(fēng)扇速度。典型的系統(tǒng)風(fēng)扇并不多，一般小于四個(gè)，利用MCU內(nèi)置的PWM控制每個(gè)風(fēng)扇的速度，當(dāng)風(fēng)扇超出PWM外設(shè)所支持的數(shù)目時(shí)，再用一個(gè)PWM接口來(lái)支持多個(gè)風(fēng)扇。這很管用，在風(fēng)扇控制功能中，已經(jīng)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，然而，自主風(fēng)扇控制限制了我們所能進(jìn)行的控制和優(yōu)化。另外，為了計(jì)算實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，每一個(gè)風(fēng)扇輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，要接到定時(shí)器或計(jì)數(shù)器來(lái)確定風(fēng)扇的RPM速度。在大多數(shù)應(yīng)用中，并不在乎所用風(fēng)扇的確切RPM速度，這個(gè)信號(hào)在判斷風(fēng)扇失速或轉(zhuǎn)子發(fā)生鎖故障時(shí)是非常重要的。
基于可編程邏輯的方案消除了典型MCU的限制，可以比其他任何離散解決方案自主控制更多的風(fēng)扇。此外，還具備獨(dú)立控制和監(jiān)控特定系統(tǒng)中每一個(gè)風(fēng)扇的能力:1)實(shí)現(xiàn)基于硬件/邏輯的閉環(huán)速度控制; (2)優(yōu)化每一個(gè)風(fēng)扇的速度，從而可以減少噪音和功耗，確切的保持系統(tǒng)需要維持的目標(biāo)溫度;最后3)基于PWM占空比和實(shí)際RPM速度實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的風(fēng)扇故障預(yù)測(cè)和風(fēng)扇老化算法。
基于硬件/邏輯的閉環(huán)速度控制就是使用可編程邏輯實(shí)現(xiàn)PWM外設(shè)和風(fēng)扇多個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)輸出到中央計(jì)數(shù)器模塊，在固件指令的配合下，設(shè)置并保持每個(gè)風(fēng)扇的占空比。這個(gè)功能通常是由MCU控制風(fēng)扇固件實(shí)現(xiàn)，或者著終端應(yīng)用工程是花費(fèi)幾周的時(shí)間來(lái)根據(jù)應(yīng)用描述風(fēng)扇占空比，從而只需要關(guān)心占空比。這個(gè)描述過(guò)程是很緩慢的，每一個(gè)新的包裝設(shè)計(jì)或終端應(yīng)用都必須重新調(diào)整，因?yàn)樗麄兊男螤罱Y(jié)構(gòu)是不同的。
可編程邏輯解決方案可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)PWM(脈寬調(diào)制)和計(jì)數(shù)器外設(shè)，嵌入式工程師可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中每一個(gè)風(fēng)扇單一的，專門的PWM(脈寬調(diào)制)，共享一個(gè)通用計(jì)數(shù)器。使用正確的可編程邏輯，還在簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)器使用上增加了智能轉(zhuǎn)速計(jì)功能，可以得到預(yù)期的RPM速度并自校準(zhǔn)每一個(gè)PWM的占空比，維持理想的速度。使用這種方式實(shí)現(xiàn)，增加了額外功能，這是使用標(biāo)準(zhǔn)MCU固件控制方法不可能做到的，如高精度風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，減少噪音和功耗最小，以及預(yù)測(cè)風(fēng)扇故障和風(fēng)扇老化算法可以很容易實(shí)現(xiàn)。
風(fēng)扇會(huì)不準(zhǔn)確，要經(jīng)常維護(hù)，通常，根據(jù)特定PWM周期反饋的RPM速度會(huì)有+ / - 10%或更多的錯(cuò)誤。對(duì)于一個(gè)閉環(huán)回路，硬件控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以輕易獲得并維持1%精度的RPM速度，沒(méi)有很高的延時(shí)，如果是固件實(shí)現(xiàn)，那么會(huì)導(dǎo)致難聽(tīng)的風(fēng)扇振動(dòng)聲音。此外，風(fēng)扇相對(duì)于PWM占空比調(diào)整反應(yīng)也會(huì)變慢。為了減少下沖和過(guò)沖數(shù)量，可以引入快速硬件控制系統(tǒng)，如果沒(méi)有糾正也會(huì)導(dǎo)致難聽(tīng)的振動(dòng)聲音，還應(yīng)該使用衰減系數(shù)。例如，賽普拉斯發(fā)布了智能風(fēng)扇控制組件和應(yīng)用筆記，使用的是PSoC器件和PSoC Creator軟件，實(shí)現(xiàn)了上面討論的硬件控制風(fēng)扇管理系統(tǒng)。在這個(gè)例子中，工程師可以定制自己的風(fēng)扇控制方案，只需要簡(jiǎn)單的設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，如衰減系數(shù)、容限、控制類型，在這個(gè)組件中，進(jìn)而配置適當(dāng)?shù)目删幊踢壿嬇c固件API調(diào)用(參閱下文圖1)。
