基于FSCT器件的散熱風扇轉(zhuǎn)速控制
隨著開關(guān)電源的不斷發(fā)展，為了提高電力電子設(shè)備的功率密度，必須提高開關(guān)頻率，減小體積[1]。但開關(guān)頻率的提高，必然增大磁性元件、開關(guān)器件的功耗[2]，這就使設(shè)備的熱管理和散熱成為一個不可避免的問題[3]。通常采用的散熱方式有使用風扇、散熱器、導熱管、溫度傳感器、控制器IC及軟件等[4]。其中，使用風扇是最簡便常用的一種方法，它的關(guān)鍵是解決風扇的可聞噪聲，空載損耗以及轉(zhuǎn)速與溫度的關(guān)系等問題[3]。本文將介紹兩種以低成本的散熱風扇速度控制器FSCT為核心所構(gòu)成的根據(jù)溫度調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速的電路。
1 FSCT芯片原理及特性
FSCTxxA-UH5系列芯片是高集成度低成本的風扇速度控制器，它由連接到翼片的內(nèi)部熱敏傳感器調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速。適合用于需要低成本通風設(shè)備的電力電子變換器。
1.1 風扇速度控制
FSCTxxA-UH5內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它內(nèi)部集成了參考電源、溫度傳感器、遲滯比較器、接通調(diào)整器以及驅(qū)動器。與芯片內(nèi)部遲滯比較器相連的OUT端產(chǎn)生與翼片溫度成比例的連續(xù)模擬電壓VOUT，線性地控制外部PNP晶體管（風扇晶體管），使風扇轉(zhuǎn)速隨VOUT線性變化。VOUT與溫度反方向變化，從而使風扇兩端電壓VFAN與溫度同方向變化。
圖1 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部連接圖
風扇兩端電壓VFAN如式（1）所示：
VFAN=VDD－Veb－VOUT（1）
此時PNP作為線性放大器運行，避免了脈寬調(diào)制控制電路中的EMI和噪音。
1.2 ON/OFF狀態(tài)工作特性
改變芯片ON端的電平，可使芯片運行于兩種狀態(tài)：ON狀態(tài)（最小速度模式）和OFF狀態(tài)（遲滯模式）。
1.2.1 ON狀態(tài)（最小速度模式）工作特性
當ON端為高電平或懸空時，芯片工作于ON狀態(tài)。此時風扇轉(zhuǎn)速由溫度調(diào)節(jié)，且風扇始終工作，從而避免了溫度過低造成電壓過低而使風扇停轉(zhuǎn)，同時也抑制了風扇反復啟動時的噪音干擾。
如圖2所示，不同的溫度Tj，輸出電壓有如下3種情況：
1）Tj<TMS：VOUT被限于VOMS以避免風扇停轉(zhuǎn)；
2）TMS<Tj<TOL：VOUT由溫度線性調(diào)節(jié)；
3）Tj>TOL：VOUT被鎖定在最小值VOL。
式中：TMS為芯片工作于ON狀態(tài)時，達到最大值即VOMS時開始調(diào)節(jié)風扇速度的溫度，對應于圖2中線形調(diào)節(jié)部分的最低溫度；
TOL為芯片工作于ON狀態(tài)時，達到最小值即VOL時將要停止調(diào)節(jié)風扇速度時的溫度，對應于圖2中線形調(diào)節(jié)部分的最高溫度；
Tj為端子的實際溫度。
圖2 FSCT模式下的溫度－輸出特性
1.2.2 OFF狀態(tài)（遲滯模式）工作特性
FSCT芯片的遲滯模式為一種綠色工作模式。所謂的綠色工作模式，即通過控制某一適當?shù)牧慷蛊骷g歇工作，從而減小功率損耗[5]；具體到FSCT芯片，就是通過使風扇間歇工作，從而減小風扇消耗的功率。如圖3所示，Tj低于開啟溫度TON時，風扇不轉(zhuǎn)；Tj高于TON時，風扇轉(zhuǎn)到ON模式，轉(zhuǎn)速由溫度調(diào)節(jié)，與ON狀態(tài)工作相同，這一特性可使電源或半導體器件免于溫度過高而損壞；溫度低于TOFF時，風扇自動停轉(zhuǎn)，滿足節(jié)能要求。在OFF狀態(tài)下運行時，滯環(huán)要足夠大以減小風扇開關(guān)轉(zhuǎn)換時的振蕩。
實際上，當加熱功率為一固定不變的值時，有以下3種情況：
1）加熱功率太低，總有Tj<TOFF，風扇一直不工作，如圖3中圖線1所示；
2）加熱功率足夠使Tj>TON，但在風扇工作后，不足以維持Tj>TOFF，從而導致風扇在周期性地開關(guān)，如圖3中圖線2所示；
3）加熱功率較高，足以使Tj>TOFF，則風扇始終轉(zhuǎn)動，如圖3中圖線3所示。
圖3 FSCT模式下OFF狀態(tài)3種實際運行溫度情況
2 應用電路設(shè)計
根據(jù)FSCT芯片的原理及特性，設(shè)計兩種應用電路，使芯片分別工作于FSCT模式（通常的風扇速度控制模式）和DWN模式（增大溫度－電壓調(diào)整率的風扇速度控制模式）。在每種工作模式下，同樣分別有ON/OFF狀態(tài)。
如圖4所示，可通過開關(guān)S來進行兩種工作電路的轉(zhuǎn)換。
圖4 實際應用電路
當開關(guān)S打在FSCT端時，芯片工作在FSCT模式，此時OUT端直接與風扇相連，無須運算放大器再次調(diào)節(jié)。芯片ON/OFF工作狀態(tài)如前所述。
當開關(guān)S打在DWN端時，芯片工作在DWN模式。DWN模式通常使用在需要特定的溫度調(diào)節(jié)特性的場合，運算放大器MC33172再次調(diào)節(jié)以改變PNP基極電壓和溫度比率從而改變溫度調(diào)節(jié)特性。
DWN模式保留了當溫度低于TMS時維持最小電壓VOMS的優(yōu)點，同時，可以增大溫度比率，即Tj變大時加快VOUT的減小速度。運算放大器U1B的輸出電壓也就是此時風扇控制電路的輸出電壓VNEW為
VNEW=VOUT (VOUT>VREF)（2）
VNEW=VOUT－
(VREF－VOUT) (VOUT<VREF)（3）
(VREF－VOUT) (VOUT<VREF)（3） 圖5為DWN模式下的溫度－輸出特性曲線，對比圖5和圖2，顯見DWN模式下VOUT隨溫度變化更快。
圖5 DWN模式下的溫度－輸出特性
3 實驗結(jié)果及分析
在室溫25℃、Vcc=12V的測試條件下，分別測定FSCT和DWN模式下的溫度－輸出特性曲線如圖6和圖7所示。圖6所示為實驗實測FSCT模式下的溫度－輸出特性曲線，圖7所示為實驗實測DWN模式下的溫度－輸出特性曲線。
（a）ON狀態(tài) （b）OFF狀態(tài)
圖6 實驗實測FSCT模式下的溫度－輸出特性曲線
（a）ON狀態(tài) （b）OFF狀態(tài)
圖7 實驗實測DWN模式下的溫度－輸出特性曲線
分別由圖6(a)、圖6(b)和圖7(a)、圖7(b)可求得，F(xiàn)SCT模式下輸出電壓變化率k分別為0.133（ON狀態(tài)）和0.135（OFF狀態(tài)），二者基本保持一致；DWN模式下輸出電壓變化率k分別為0.189（ON狀態(tài)）和0.190（OFF狀態(tài)），二者也基本保持一致。這就說明兩種工作狀態(tài)下芯片工作于線形區(qū)時，溫度－輸出特性曲線斜率相同，與圖2相符。由分別的圖線可看出，實際情況下芯片的溫度－輸出特性曲線與芯片手冊相符。
對比圖6和圖7，可知在DWN模式下，芯片工作于線形區(qū)時，溫度－輸出特性曲線斜率k大于FSCT模式，即使VOUT隨溫度變化更快，與分析相符。
4 結(jié)語
實驗結(jié)果表明，本文采用的風扇轉(zhuǎn)速控制系列芯片F(xiàn)SCTxxA－UH具有成本低，集成度高，雜音小，噪聲低，和加熱器耦合好，開關(guān)振蕩小，輸出電流大，NTC精度高等優(yōu)點。所設(shè)計的實驗電路簡單可靠，易實現(xiàn)，并且能充分利用FSCT芯片的各種特性。風扇轉(zhuǎn)速控制系列芯片F(xiàn)SCTxxA－UH有著很好的應用前景。
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