為CPU和筆記本設(shè)計(jì)高性能模擬風(fēng)扇控制

雖然消費(fèi)和工業(yè)電子中控制系統(tǒng)的技術(shù)要求多種多樣，但兩者之間仍有很多相似之處。市場趨勢表明創(chuàng)新研究、先進(jìn)硅工藝、更高集成度、更小的封裝、無鉛化和綠色規(guī)劃正成為開發(fā)新的成功電子產(chǎn)品的關(guān)鍵。這類創(chuàng)新的一個(gè)例子就是采用TI公司的單芯片解決方案為CPU和膝上電腦設(shè)計(jì)高性能模擬風(fēng)扇控制。

圖1AMC6821模塊框圖。

半導(dǎo)體制造商所面臨的更加緊迫的市場需求是新技術(shù)實(shí)現(xiàn)和新設(shè)計(jì)的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。此外，客戶對新器件的一個(gè)主要需求是更高的器件精度或更好的系統(tǒng)精度。通過利用更好的混合信號(hào)部件以及更強(qiáng)的數(shù)字處理能力可以獲得這種精度。為了保持具有競爭力的市場優(yōu)勢，半導(dǎo)體制造商必須有能力在更小的封裝上更多地兼顧這些需求，而且要減少功耗和降低成本。

以一種新型專有混合信號(hào)工藝HPA07為例，采用此新工藝來實(shí)現(xiàn)的晶體管具有更快的速度、改良的線性度和更低的噪聲。另外，這種晶體管和電容具有更好的電壓和溫度系數(shù)及更好的匹配值。這些改進(jìn)使得混合信號(hào)產(chǎn)品可達(dá)到更高的速度和分辨率，并具有更好的線性度、偏移量及增益參數(shù)。因而這種新的工藝可在不犧牲裸片尺寸和功耗的前提下實(shí)現(xiàn)更高的器件集成度。

CPU風(fēng)扇控制應(yīng)用

新開發(fā)的AMC6821就是一個(gè)更高集成度的創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)如何改善消費(fèi)類應(yīng)用的典型例子。這種IC的目標(biāo)應(yīng)用是筆記本電腦和臺(tái)式PC、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、電信設(shè)備和基于PC的設(shè)備。如圖1所示，這種模擬接口電路特別設(shè)計(jì)成通過使CPU芯片保持在預(yù)先設(shè)定的、最優(yōu)化的溫度水平來改善CPU的運(yùn)行。

AMC6821帶有一個(gè)精度為0.125°C的溫度傳感器，可測量的溫度范圍為-25至+125°C。它可以工作在+2.7至+5.5V之間，采用小的QFN(4×4mm)無鉛綠色封裝。該芯片還采用了自動(dòng)風(fēng)扇速度控制循環(huán)的專利技術(shù)。

圖2：自動(dòng)風(fēng)扇速度控制循環(huán)系統(tǒng)。

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)扇速度處理器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)是基于最壞條件參數(shù)進(jìn)行的。許多熱設(shè)計(jì)參數(shù)是可變的，這與用戶或地點(diǎn)有關(guān)，例如處理器平均和瞬間功耗、空氣溫度(環(huán)境)、空氣密度(海拔)、氣流(取決于PC的位置)以及風(fēng)扇速度，風(fēng)扇速度是所施加電壓的函數(shù)。使風(fēng)扇速度直接和處理器節(jié)點(diǎn)溫度成比例是一種拙劣的選擇，因?yàn)檫@種關(guān)系不會(huì)直接補(bǔ)償可變參數(shù)的的變化，瞬態(tài)性能表現(xiàn)很差，而且還會(huì)導(dǎo)致很高的可辨噪聲和低的電源或者電池利用率。

圖2是自動(dòng)風(fēng)扇速度控制循環(huán)的一個(gè)模塊框圖，風(fēng)扇啟動(dòng)過程中應(yīng)用了一個(gè)軟啟動(dòng)算法。用戶定義參數(shù)允許設(shè)計(jì)者優(yōu)化該系統(tǒng)，應(yīng)用最小的初始電壓來啟動(dòng)風(fēng)扇，逐漸增大此電壓將慢慢加大風(fēng)扇速度，從而可防止風(fēng)扇速度從0上升到全速過程中產(chǎn)生惱人的噪聲。一旦風(fēng)扇開始運(yùn)轉(zhuǎn)，控制算法則會(huì)調(diào)整施加在風(fēng)扇馬達(dá)上的電壓以便CPU溫度保持恒定。由設(shè)計(jì)者定義的控制循環(huán)參數(shù)可補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化。該算法也會(huì)給系統(tǒng)一個(gè)良好的瞬態(tài)響應(yīng)，以最少的功率使工作溫度保持在盡可能接近最佳的水平。

AMC6821實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)風(fēng)扇速度控制提供了很多優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備啟動(dòng)過程中低的機(jī)械應(yīng)力和噪聲；可預(yù)知的處理器工作時(shí)的節(jié)點(diǎn)溫度(TJ)；最佳的熱設(shè)計(jì)；理想的動(dòng)態(tài)性能，可補(bǔ)償功耗變化的同時(shí)保持節(jié)點(diǎn)溫度恒定；在寬工作范圍內(nèi)噪聲更低；更低的功耗或者更長的電池壽命。

微控制和數(shù)字信號(hào)處理方案

ASIC的下一步是使用可編程MCU。TI的MSP430擁有省電但靈活的MCU架構(gòu)，是各種超低電壓測量應(yīng)用的一個(gè)理想選擇。節(jié)電應(yīng)用例如能量表、便攜式儀器和個(gè)人消費(fèi)類產(chǎn)品常常要求在下一次更換電池前能延長工作時(shí)間。

MSP430F2xx系列產(chǎn)品在減少低功率和常規(guī)應(yīng)用系統(tǒng)成本和提高可靠性方面有所增強(qiáng)。其待機(jī)電流少于1uA，在1us內(nèi)能切換至完全同步、160MIPS的工作狀態(tài)。相比之前的MSP430F1xx器件，MSP430F2xx在功耗降低一半的情況下可以提供兩倍的處理性能。

圖3：ADS7869模塊框圖。

MSP430F2xx將性能提高至16MHz，進(jìn)一步減少了外部元件數(shù)量：集成了±2.5%的片上振蕩器、軟件可選的內(nèi)部上拉/下拉電阻，增加了模擬輸入數(shù)量。系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存也有所改進(jìn)，它采用更小的64字節(jié)區(qū)段，編程時(shí)間快到每字節(jié)17us，并具有更低的2.2V編程電壓，從而省去了大部分系統(tǒng)中外部EEPROM。

對于要求更苛刻的應(yīng)用，例如無刷DC、AC感應(yīng)和永磁發(fā)動(dòng)機(jī)的變速控制，可采用數(shù)字信號(hào)控制器的TMS320C2000系列。C2000平臺(tái)設(shè)定了馬達(dá)控制性能和外圍集成的標(biāo)準(zhǔn)，將TI的DSP技術(shù)與外圍電路進(jìn)行了獨(dú)特的結(jié)合，這些外圍電路包括閃存、采樣速率達(dá)到12.5MSPS的超快速A/D轉(zhuǎn)換器、CAN接口模塊、編碼器接口以及不用CPU干預(yù)就能產(chǎn)生任何波形強(qiáng)大PWM功能。通過功能強(qiáng)大而具有成本效益的C2000控制器平臺(tái)，如今設(shè)計(jì)者就擁有可以推進(jìn)他們創(chuàng)新的工具，并能減少上市時(shí)間和總體系統(tǒng)成本。

C2000平臺(tái)的核心C28x內(nèi)核是世界上最高性能的控制優(yōu)化控制器，提供150MIPS、32位DSP的計(jì)算帶寬。這個(gè)帶寬能夠?qū)崟r(shí)處理復(fù)雜的控制算法，例如提供最佳機(jī)械效率和最小轉(zhuǎn)矩波紋的現(xiàn)場導(dǎo)向控制。C28x架構(gòu)的高速中斷響應(yīng)能力可使總體系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)最大化。

ADS7869：面向馬達(dá)控制的完整模擬前端

對于高端應(yīng)用，例如工業(yè)馬達(dá)控制，ADS7869是一款完整的模擬前端IC。這種IC獨(dú)特之處在于它提供了最高的模擬和數(shù)字集成。它有12路完整的差分模擬輸入，3個(gè)獨(dú)立的采樣率為1MSPS的12位A/D轉(zhuǎn)換器，7個(gè)采樣保持器，5個(gè)多路復(fù)用器，7個(gè)符號(hào)和3個(gè)窗口比較器，2個(gè)上/下16位計(jì)數(shù)器等。它的目標(biāo)應(yīng)用包括閉環(huán)伺服系統(tǒng)、機(jī)器和運(yùn)動(dòng)控制、多軸定位和馬達(dá)控制。ADS7869的模塊框圖見圖3。

要能夠在短時(shí)間內(nèi)提供3個(gè)同步采樣信號(hào)，1MSPS的高速A/D轉(zhuǎn)換器很關(guān)鍵。高速轉(zhuǎn)換為執(zhí)行DSP控制算法提供了更多的時(shí)間。當(dāng)帶正弦輸出的增量編碼器被用作位置傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)在高馬達(dá)速度下可達(dá)到500kHz。如此高的速度是在ADS7869中集成高速A/D轉(zhuǎn)換器的另外一個(gè)原因。

馬達(dá)控制傳感器會(huì)存在源至乘積變化、溫度漂移或者純匹配的明顯偏移量和增益誤差。為了增加有效測量精度，ADS7869 A/D轉(zhuǎn)換器擁有允許硬件增益和偏移量補(bǔ)償?shù)膶＠娐贰Ｓ脩舾鶕?jù)先前測量的計(jì)算結(jié)果執(zhí)行這種補(bǔ)償。24個(gè)片上專用寄存器為所有12個(gè)模擬輸入通道存儲(chǔ)偏移量和增益修正值。

三個(gè)片上符號(hào)比較器以及三個(gè)窗口比較器加一個(gè)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)是專門為電機(jī)電流控制提供所有必要信號(hào)而設(shè)計(jì)的。三個(gè)帶符號(hào)的信號(hào)指示逆變器的輸出電流信號(hào)是正還是負(fù)，結(jié)果使其可以用一個(gè)專門的算法來補(bǔ)償輸出功率開關(guān)如IGBT或者M(jìn)OSFET的死區(qū)。這種補(bǔ)償減少了現(xiàn)有諧波，使馬達(dá)可在沒有扭矩振動(dòng)的情況下平穩(wěn)運(yùn)行，在低速下尤為明顯。片上DAC為窗口比較器建立了一個(gè)過電流保護(hù)的基準(zhǔn)。三個(gè)獨(dú)立的比較器允許用戶僅在報(bào)告問題的相位上執(zhí)行校正而不干擾另外兩個(gè)相位。這個(gè)功能也可用在電流極限逐漸增加時(shí)電機(jī)的軟啟動(dòng)里。

ADS7869另一個(gè)強(qiáng)大的功能是有一個(gè)專門的接口直接連接兩個(gè)增量正弦編碼器。圖4顯示了ADS7869的編碼器接口電路。>

圖4：ADS7869編碼器接口電路。

如前所述，來自編碼器的輸入信號(hào)上限期望在500kHz范圍內(nèi)。為了正確測量這個(gè)信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器采樣頻率至少為1 MSPS。同時(shí)編碼器模擬信號(hào)會(huì)有20%增益和20%偏移量乘積變化。ADS7869 ADC的特定功能可補(bǔ)償這個(gè)變化，用全部12位分辨率來實(shí)現(xiàn)滿量程信號(hào)捕獲。增益在20%到100%之間可調(diào)，偏移量在±12.5%滿量程范圍內(nèi)。在定位系統(tǒng)中，編碼器信號(hào)通常將被PWM循環(huán)同步捕獲。這種同步捕獲的原因是DSP內(nèi)的控制算法會(huì)在同一個(gè)循環(huán)中執(zhí)行，同一時(shí)間內(nèi)所有必要信號(hào)至少要提供一次。編碼器框圖中的同步采樣信號(hào)能確保同一時(shí)刻所有的模擬信號(hào)和數(shù)據(jù)被捕獲。另一方面，異步采樣信號(hào)允許機(jī)器達(dá)到零點(diǎn)時(shí)用戶可在線獲取信號(hào)和數(shù)據(jù)。這兩個(gè)分離的采樣信號(hào)能確保機(jī)器一直處于完全控制下所有數(shù)據(jù)將提供給控制算法。

由于工業(yè)環(huán)境存在電氣噪聲，設(shè)計(jì)者會(huì)在進(jìn)入ADS7869的傳輸線和信號(hào)上看到很多干擾。為了克服這個(gè)難題，ADS7869為編碼器信號(hào)提供差分模擬輸入。這個(gè)特性使用戶可以將編碼器部署在機(jī)器上，通過很長的電纜傳送信號(hào)而不會(huì)丟失任何有用的信息。片上采樣-保持電路捕獲這些差分信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行轉(zhuǎn)換，完全消除了任何現(xiàn)有共模噪聲。

正弦和余弦兩個(gè)編碼器信號(hào)可以通過采樣-保持電路被捕獲，A/D轉(zhuǎn)換器隨后將它們數(shù)字化。同時(shí)，為輸入編碼器信號(hào)特別設(shè)計(jì)的兩個(gè)片上比較器將輸入正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)變成方波信號(hào)。這些信號(hào)直接反饋給兩個(gè)專門的上/下16位計(jì)數(shù)器。這里帶有一個(gè)數(shù)字濾波器，以進(jìn)一步過濾信號(hào)。這個(gè)數(shù)字濾波器如果被激活，就會(huì)消除小于三個(gè)時(shí)鐘周期的干擾脈沖。然后，經(jīng)過濾波的信號(hào)再傳送到片上的一個(gè)額外的狀態(tài)機(jī)濾波器中。此狀態(tài)機(jī)只考慮正確的信號(hào)轉(zhuǎn)換，會(huì)忽略所有不規(guī)則信號(hào)。

現(xiàn)在，沒有毛刺、也沒有誤差的信號(hào)被傳遞到16位上/下計(jì)數(shù)器。四個(gè)陰影寄存器(shadow register)保存了同步和異步采樣數(shù)據(jù)、兩次計(jì)數(shù)間的時(shí)間周期、計(jì)數(shù)信號(hào)和保持信號(hào)的時(shí)間差。這些陰影寄存器也可以提供關(guān)于馬達(dá)速度和額外安全特性的數(shù)據(jù)。ADS7869編碼器專門接口和片上專用外圍再加上一個(gè)DSP器件，就可使用戶獲取上至27位的定位分辨率。