采用SMBus温度传感器控制风扇速度
eeskill 2022-08-15

在很多产品中,低或中速运行的风扇已足以散热,同时允许保留最高速模式以应付最糟糕的情形。本文阐述的电路使用线性电压控制,并通过以低于厂商满额定电压的直流电压来运行风扇达到降低风扇速度从而降低噪声的目的。

SMBus温度传感器IC

市场上可以买到的SMBus温度传感器IC包括测量IC周围环境温度的传感器以及支持一个或多个外部传感器(即一些廉价的、与二极管相连的三极管)的器件。

SMBu通信接口为系统微控制器提供简便的连接,而通过可写寄存器可对温度传感器的测量参数进行配置。

图1:本文控制电路设定的温度和风扇速度的关系。

许多SMBus温度传感器具有一个或两个输出,当温度超过的某一极限值(已编程到IC寄存器内),它们就会起作用(典型情况是变低电平)。设计工程师有望获得1到3°C的典型传感器精度和精细到1/8 °C的分辨率。

大多数DC无刷风扇的通用驱动电压是+5V和+12Vdc。全速运行的风扇会产生令人讨厌的噪声,因此,尽可能降低风扇的速度就很重要。在降压下运行直流风扇且随着风扇的老化,风扇启动电压会成为一个限制因素,因为轴承磨损会导致所要求的启动电压增加。

风扇的实际工作电压范围变化很大。某厂商额定+5V的风扇可能用2Vdc就可以启动,而相同尺寸和规格的另一台风扇可能需要4Vdc才能启动。当所选风扇的工作电压低于厂商的额定值时,至关重要的是提取风扇特征并加入一些裕量,这是考虑到磨损情况及风扇之间存在差异。

图2:两个三极管实现5V风扇驱动。

智能控制

1.两个三极管实现5V风扇驱动:

图2所示的电路对于+3.3V和+5V供电的风扇产品很有用。当温度低于两个极限设置时,开漏输出Out1和Out2被置为高,使R1和R2拉高P沟道FET Q1和Q2的栅极,将它们关闭。当温度超过图1中的极限值1时,Out1变为低,打开Q1并通过肖特基二极管D1向风扇施加大约3V的电压。当Out2变低时,Q2打开并向风扇施加5V的电压。D2确保5V电源不会通过Q1反向作用于3.3V电源。

该电路功效很高,因为三极管基极不消耗电流,它的作用是开关,直接将风扇连接到电源轨上。选择Ron《 0.75Ω@ Vgs=3V的P沟道FET可以保持电压降和功耗较低。低功耗就容许风扇采用小外形SOT-23器件来做到400mA@5V的额定电流。

2.单个三极管实现5V风扇驱动

图3:单个三极管实现5V风扇驱动

图3所示的电路采用一个PNP三极管来控制风扇的三个速度:停转、中速和高速。当温度低于两个极限设置时,Out1和Out2都变高。Q1的基极没有电流流过,因此它关闭且风扇电压为0V。

当温度超过极限值1时,Out1驱动变低且电阻分配器R1/R2将Q1基极的电压设为1.8V。因基极电压为Vbe,发射极电压将比Vbe高0.7V,从而使风扇电压为2.5V(满幅电压的50%)。

当Out2变低时,它将Q1基极拉低到地电平,基极电流受到IC输出最大吸收能力的限制,典型值为@Vol=0.4V“》6-8mA@Vol=0.4V。由于基极电流有限,Q1的增益应大于100以确保最小电压降及强大的三极管驱动能力。输出器件和Q1之间的电压降将最大风扇电压限制为4.1V(满幅电压的82%)。

3.单个三极管实现12V风扇驱动

图4所示的电路与单个三极管电路稍微不同,可以驱动风扇以低速、中速和高速运行。这样的安排容许12V风扇由输出最高电压为5V的IC所控制。

图4:单个三极管实现12V风扇驱动。

当IC两个输出都为高时,低速由电阻R1和R3设置。R1/R3电压分配器将Q1基极电压设置为5.0V,从而为风扇提供大约6.3V的电压(满幅电压的52%)。当Out1变为低时,可以实现中速,通过R2吸收电流来设置基极电压为2.5V、风扇电压为8.8V(满幅电压的73%)。当Out2变低时,高速电压达到11.1V(满幅电压的92%)。

本文小结

采用SMBus温度传感器可以控制风扇的三个速度,其系统设计灵活性很高,成本很低。通过采用较低的两个风扇速度实现正常和高于平均功耗情形的运行,风扇速度可以被设置用于静音运行。最高速度可以专用于极端温度条件下的运行,此时冷却作用优先于静音运行。

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