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无刷直流风机在计算机等电子设备中使用的若干问题

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点击次数:更新时间:2018-06-22 17:06:23

现代电子设备,特别是消费电子产品的趋势是功能的增强和产品的小型化。因此,大量的电子元件硬塞进非常窄小的空间。一个明显的例子就是笔记本电脑,薄而轻的笔记本电脑已经大大压缩,但他们的处理能力还要维持或增加。这种趋势的其他例子包括投影机和机顶盒。这些系统都具有一个共同问题是工作时散发大量的热量。在笔记本电脑,高速中央处理器的发热,在投影机,大部分的热量是由光源产生的,这种热需要有效并安静地散去。使用冷却风机仍是防止电子设备过热最常见和有效的方法

  但是风机是噪声来源,它也增加了系统能耗,特别是如果电能是由电池提供时,风机效率显得突出。风机还是一个机械部件,在系统中也需要从可意性角度考虑

  1.风机引起的电流波动

  无刷直流风机的电流不是恒定的直流。电机运行时,由于绕组换相,电流存在明显的波动。无刷直流风机工作电流包含许多纹波,纹波电流大小与电机的设计、电子开关电路、工作电压和电流等因素有关。取决于电机设计水平,具体风机的电流波形和纹波电流大小会有所不同。无刷直流风机电流波动例子见图15-18。当直流电源还连接有其他外围设备时,应当考虑无刷风机电机的类型和电流特性以及电机数量的影响。当多个风机在同一电源总线工作,多风机产生总的纹波电流可以变得十分复图15.18无刷直流风机电流渡动例子杂。这种复杂的纹波电流对系统可能造成干找。此时甚至需要安放总线隔离滤波器

2.风机起动电流峰值

无刷直流风机在电脑和其他电子设备中的应用越来越普及,设备设计人员因而面对更多新的问题。其中之一就是要解决风机起动和关闭时的电源过载问题。在一般情况下,降温风机的电流大约是在0.5-1.5A左右。然面,风机起动和关闭时的电流却会高出这个数字的4=6倍。如果在系统中只有一台风机的话,过载电流还可能在电源的控制能力之内,这种情况不会对电源有太大影响。但是如果一个系统同时安装了3台风机,系统设计人员就必须认真考虑起动电流的问题了。

  为了使设计人员能将电源电流保持在合理的限制范围内,人们为风机生产厂商制定了很多设计标准,有许多著名厂商,如 Intel.惠普和思科公司都对风扇起动和关闭时各个阶段的最大消耗电流做出了规范。OEM厂商目前把起动/关闭风扇时的最大电流规范为2A。为解决这一问题,在近几年来,风扇转速脉宽调制(PwM)控制日益成为降温风扇的标准性能之一。并逐步与风机的内部控制系统融为一体,以适应上述的电流控制要求

  无刷直流风机在起动时,起动电峰值通常是由电机绕组电路电阻的和电源电压决定的。然而,许多无刷直流风扇为了抑制电磁干扰(EM1)加有额外的滤波电容。当接通电源时,此电容充电可能带来一个非常高的瞬间电流尖峰。如果去掉这个电容,起动电流峰值会明显降低,可能降低到1/4

  3.采用PwM技术的限流与速度调节

无刷直流风机使用时必须考虑电源的限流。许多电源设置有电流限制或过电流关断保护功能。按照电机峰值起动电流和最大纹波电流确定电源限流。根据无刷直流风机的大小和设计不同的,选择限制的起动电流峰值与运行电流的比值变化范围可能相当大,例如,4:1或

  有些无刷直流电动机自身带有电流限制功能,通常是采用脉冲宽度调制(PwM)技术典型的电流限制,峰值电流比取2.5或以下。有电流限制的无刷直流风机也同时限制了电机的起动转矩,这将延长风机达到全速所需的时间

  采用速度控制使风机运行速度范围扩展,噪声和功率消耗降低,其可靠性和寿命提高在个人电脑和其他电子设备冷却风机采用转速控制集成电路日渐增加

  无刷风机几种速度控制方法采用恒温开/关控制是一种简单的方法。通常由用户设置预定温度,当温度低于预设值风机开启工作,当温度超过预设值风机停止,开/关控制的缺点是当风机开启和关闭时,它会立即引起声音的改变采用线性功率电路调节风机转速也是一种方法,但功耗较大。目前电脑用风机控制转速的流行方法是低频PwM控制,这种方法避免了线性控制低效率间题。图15.19显示了一个典型的驱动电路,PWM控制信号来自ADT460风机控制器的输出。ADT7460是美国AD公司生产的智能温度控制器芯片。例如,奔腾 PentiuM4计算机采用ADT7460实现散热控制该计算机中共使用了3台散热风机。其中,风机1专门给CPU散热,风机2和风机3分别安装在主机箱的前面和后面给机箱散热。第一路远程温度传感器,用来测量环境温度,奔腾Pentium4处理器中的温度传感器就作为第二路远程温度传感器,ADT7460通过 sMBus总线接 Intel公司生产的电源管理芯片

  低频PwM的缺点是存在低频开关噪声。为了解决这个低频噪声问题,ADI公司最新设计的风机控制器PwM频率增加到225kHx,这是听觉范围以外的频率。但高频脉宽调制控制电路只能与4线风机使用。图1520描述了高频率PWM所使用的电路

目前面市的器件包括可以在低频(几百Ha)和高频(高达25kHa)都能运行的风机控制器。例如ADI公司 dECel系列中的3款芯片:ADT7466、ADT7467和ADT7468ADT7466具有一个片上传感器和一个远程传感器,可以处理最多达两个三线风扇和两个模块电压,或者电热调节器输出。ADT7467控制和监视多达四个风扇和三个电压,ADT7468可以监视多达4个风扇和5个电源电压。

  新的高性能PWM风机驱动技术还包括软起动功能,它监测电机电流,限制电机起动或堵转时的电流。过去普通的无刷风机在全电压起动时,在最初几百毫秒内的起动电流可能超过正常稳态电流4-5倍。如果是多台风机同时起动,情况就很精糕。另外,万一在风机叶片落下异物等原因,阻码了转子转动,为防止过电流,大多数风机包含一个自动重新起动功能,风机出现堵转时,风机先行关闭,并过3后尝试重新起动风机。再次出现4至5倍的短暂的电流。如果采用PwM驱动,风机软起动电路可以控制起动时的浪酒电流和堵转时的大电流,从而减少了能耗。

  利用PwM控制时,风机转速按需要调整,一般处于较低转速,风机噪声将较低外,PWM调制频率取25kHz以上,PWM调制信号引起的声音是听不见的。

  采用有PWM调制驱动芯片,如 Zetex的ZXMB1004,以H桥型驱动单相无刷直流电动机。它使用的是单绕组电机,与双绕组电机相比,由于电机绕组在任何时候都在工作,它的效率提高10%-15%。



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