在汽車(chē)電子系統(tǒng)之中，溫度的管理一直是個(gè)挑戰(zhàn)，一般會(huì)要求系統(tǒng)能夠正常工作在-40°C ~ + 65°C的環(huán)境溫度之下。而機(jī)殼之內(nèi)的環(huán)境溫度還會(huì)有20°C左右的溫升，所以PCB板實(shí)際需要承受的最高環(huán)境溫度會(huì)高達(dá)+ 85°C。

然后，進(jìn)一步著眼于局部區(qū)域，如電源、CPU等模塊將會(huì)是發(fā)熱大戶，更一步加劇了機(jī)殼內(nèi)的環(huán)境溫度，嚴(yán)苛的環(huán)境實(shí)際上已經(jīng)逼近很多芯片的耐溫極限了。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期，必須規(guī)劃好熱管理（Thermal Management）策略以及設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的措施。

比較簡(jiǎn)單粗暴，但是有效的散熱措施就是增加一臺(tái)散熱風(fēng)扇，當(dāng)然這會(huì)增加設(shè)計(jì)成本及機(jī)器噪音。所以，我們?cè)谠O(shè)計(jì)風(fēng)扇電路時(shí)的要求也是基于這兩個(gè)基本的出發(fā)點(diǎn)：

1）、電路必須簡(jiǎn)單，低成本；

2）、風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與噪音成正比，所以要求風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可測(cè)、可控。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，最好是無(wú)級(jí)調(diào)速，力求散熱效率與噪音之間的平衡。

風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)：

風(fēng)扇的核心部件是一只外轉(zhuǎn)子的無(wú)刷直流電機(jī)。所謂外轉(zhuǎn)子，是指線圈不動(dòng)（定子），磁鐵旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)子）；所謂無(wú)刷直流電機(jī)，是沒(méi)有電刷的直流電機(jī)，使用霍爾感應(yīng)器代替電刷。

圖1.1 散熱用風(fēng)扇

在原理上，一成不變的直流電壓是無(wú)法讓電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，因?yàn)樗鼤?huì)被“異性”牢牢地吸引住，攜手到白頭。電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的前提是，有一方必須“花心”，轉(zhuǎn)子也好，定子也行，所以轉(zhuǎn)子與定子之間“分分合合”，不斷尋找新歡，然后就轉(zhuǎn)動(dòng)了起來(lái)。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)（這是相位角度，注意不是物理角度），正好線圈感應(yīng)的N和S極與磁鐵的S和N異性相吸，此刻將通往線圈的電壓交換正負(fù)極，然后由“異性相吸”轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴韵喑狻?，所以轉(zhuǎn)子又得以轉(zhuǎn)過(guò)180°，然后繼續(xù)變換正負(fù)極，電機(jī)得以持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

不斷“挑唆”線圈變換正負(fù)極的裝置叫做換相器，它可以是機(jī)械式的電刷，也可以是電子式的霍爾感應(yīng)器。顯然機(jī)械式的換相器簡(jiǎn)單，成本低，但是噪音大，有磨損，壽命短，如圖1.2示意；電子式的霍爾感應(yīng)器，壽命長(zhǎng)，但是需要專(zhuān)門(mén)的芯片來(lái)輔助，成本高，如圖1.3示意。

圖1.2 直流電機(jī)的工作原理模型

圖1.3 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理模型

圖1.4與圖1.5是散熱風(fēng)扇的拆解，這是外轉(zhuǎn)子的無(wú)刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子是磁極，定子是線圈，線圈被安裝于一個(gè)PCB基板上，基板上還有一個(gè)霍爾感應(yīng)器，用于感應(yīng)轉(zhuǎn)子上的磁極變化。

圖 1.4 散熱風(fēng)扇拆解（正面）

圖 1.5 散熱風(fēng)扇拆解（反面）

圖1.6 霍爾感應(yīng)器與磁極變化

霍爾感應(yīng)器頭頂上的轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，N/S磁極交錯(cuò)變化，霍爾會(huì)相應(yīng)的輸出高低交錯(cuò)變化的信號(hào)，然后輸出信號(hào)被輸入到控制芯片進(jìn)行處理，芯片據(jù)此在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行換相操作。

轉(zhuǎn)速偵測(cè)：

霍爾輸出的信號(hào)還對(duì)應(yīng)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，不過(guò)需要一點(diǎn)換算，在換算時(shí)首先需要知道一個(gè)參數(shù)，因?yàn)榛魻柺菍?duì)每個(gè)磁極做出反應(yīng)的，所以如果知道了電機(jī)一共有多少個(gè)磁極（N和S），然后就可以換算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速了。

風(fēng)扇電機(jī)的磁極一般是4極或8極，當(dāng)然可以更多，極數(shù)越多轉(zhuǎn)動(dòng)越細(xì)膩、越平穩(wěn)，當(dāng)然這對(duì)于風(fēng)扇來(lái)說(shuō)沒(méi)必要。

圖1.7 電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)的換算

圖1.7是霍爾信號(hào)的輸出與電機(jī)的轉(zhuǎn)速之間的換算關(guān)系。

RPM是每分鐘的轉(zhuǎn)速，F(xiàn)G是霍爾信號(hào)的頻率，F(xiàn)G代表每秒鐘感應(yīng)到了多少次N/S磁極的交替。POLE是指一共有多少個(gè)N及S極，如4個(gè)極（2個(gè)N，2個(gè)S）以及8個(gè)極（4個(gè)N，4個(gè)S），（FG*2/POLE）是換算為每秒鐘的電機(jī)轉(zhuǎn)速，一分鐘等于60秒，所以最后再乘以60換算為常用單位RPM（轉(zhuǎn)/分鐘）。

換相機(jī)制：

支撐電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基礎(chǔ)原理是“異性相吸，同性相斥”。永磁鐵的磁極是固定的，在這里它是繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的的轉(zhuǎn)子；然后，固定在基板上的線圈是定子，它隨電流方向的不同而呈現(xiàn)不同的極性，N或S極，它是可變性的。

首先，控制芯片通過(guò)霍爾感應(yīng)器探測(cè)得知當(dāng)前在線圈附近的磁極極性是N還是S，然后通知線圈感應(yīng)出與之相反的極性。轉(zhuǎn)子聞到了異性的味道，會(huì)立刻傻傻地跑過(guò)去。當(dāng)轉(zhuǎn)子剛好跑到線圈的中心位置的時(shí)候，控制芯片又立刻通知線圈再次變性，成為與轉(zhuǎn)子同性?？上攵D(zhuǎn)子十分“惱火”，遠(yuǎn)看以為是一個(gè)大美女，跑到跟前一瞧，“靠”，居然是男的！不過(guò)已經(jīng)來(lái)不及了，由于慣性的原因，轉(zhuǎn)子已經(jīng)跨越了中心線。而與之相鄰的磁極正在向線圈靠近，因?yàn)樗钱愋缘模运埔?jiàn)的是一位“大帥哥”正在等她，于是她加速、主動(dòng)地追了過(guò)來(lái)，當(dāng)然結(jié)果也是令人失望的，然后拂袖而去，接著又有新的磁極再次“上當(dāng)”。如此周而復(fù)始，轉(zhuǎn)子就在控制芯片的“哄騙”之下，轉(zhuǎn)動(dòng)了起來(lái)。

如此調(diào)侃電機(jī)的換相過(guò)程，雖不嚴(yán)謹(jǐn)，但是原理上基本就是如此，如圖1.8示意。

圖1.8 電機(jī)線圈的換相

風(fēng)扇電機(jī)的控制電路：

常用的風(fēng)扇有兩種，一種是自帶控制電路的，外部只需輸入PWM信號(hào)即可完成速度的調(diào)節(jié)，這種風(fēng)扇的接口一般是四根線的（VCC，GND，PWM，F(xiàn)G）；另一種是三線的（VCC，GND，F(xiàn)G），需要外部自己設(shè)計(jì)一個(gè)速度調(diào)節(jié)電路來(lái)完成速度的調(diào)整。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入電機(jī)的電流大小成正比，控制電流成本高，所以一般是直接調(diào)整電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。為了和單片機(jī)的數(shù)字接口相配合，電路的輸入端是PWM輸入，輸出是線性的電壓輸出，圖1.9是原理示意圖，實(shí)際上這是一個(gè)輸出電壓可變的線性穩(wěn)壓器電路。

圖1.9 電機(jī)的速度調(diào)節(jié)電路

有時(shí)候，風(fēng)扇電路的速度的調(diào)節(jié)只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的檔位，圖1.10是兩個(gè)檔位的風(fēng)扇控制電路，只需要實(shí)現(xiàn)“快速”或“慢速”即可，當(dāng)然稍加改進(jìn)是可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的（FAN_SPEED改為PWM輸入，然后LDO的Adj管腳處加電容）。

圖1.10 兩檔風(fēng)扇控制電路

圖1.10使用一個(gè)LDO來(lái)做風(fēng)扇的速度控制，顯得成本比較高，而圖1.11是低成本的無(wú)級(jí)調(diào)速控制電路，在這里使用了一套三極管電路來(lái)實(shí)現(xiàn)了LDO的功能，雖然性能不如集成電路級(jí)別的LDO，但是對(duì)于風(fēng)扇控制來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

如圖1.11，三極管T1與R4及C2組成的低通濾波器完成一個(gè)簡(jiǎn)易的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，不同占空比的PWM信號(hào)通過(guò)它被轉(zhuǎn)化為模擬電壓輸出，同時(shí)它也被用作由T2實(shí)現(xiàn)的線性穩(wěn)壓器的參考電平。這是一個(gè)參考電平可調(diào)的LDO，調(diào)節(jié)PWM占空比即可達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

圖1.11 電機(jī)的速度無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)電路

工作原理簡(jiǎn)介如下：

在某一個(gè)固定占空比的PWM信號(hào)下，R6上的壓降是定值，大小等于（Vref-Vbe）；R7與R8組成的分壓電路被用于監(jiān)控輸出電壓的變化，目標(biāo)輸出電壓等于［Vref*R8/（R7+R8）］。當(dāng)輸出電壓偏高或者降低時(shí)，由R7和R8逐級(jí)上報(bào)，然后T2進(jìn)行分析之后做出決策，決策由T3負(fù)責(zé)執(zhí)行，這是一套負(fù)反饋系統(tǒng)。

分解步驟如下：

輸出電壓低于目標(biāo)值==》R8的壓降低于Vref==》從套管T2在R8那側(cè)的分管流入R6的電流減?。ǖ刂骷乙矝](méi)有余糧了）==》R6的壓降［Vr6=（Vr8-Vbe）］降低==》T2在C2那側(cè)的分管的Vbe之間的壓差（Vref-Vr6）被拉大 ==》T2在這一側(cè)的基極電流Ib增加，填補(bǔ)虧空==》Ib增加意味著Ic增加（Ib乘以三極管的放大倍速）==》T2的Ic等于T3的Ib==》T3的Ic增大，T3的發(fā)射極與集電極之間的壓降Vce減?。ㄍ柡蛥^(qū)方向靠近）==》輸出電壓（UGBATT-Vce）增加==》反之，如果輸出電壓過(guò)沖之后的響應(yīng)也可據(jù)此類(lèi)推==》周而復(fù)始，直至達(dá)到新的平衡。

應(yīng)用這個(gè)電路時(shí)，需要注意的要點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)：

1）、占空比與輸出電壓之間的線性關(guān)系區(qū)域有限，在應(yīng)用前做好仿真，最后經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)。

圖1.12，PWM占空比與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

2）、線性區(qū)域的范圍可以通過(guò)R5進(jìn)行微調(diào)，R5對(duì)T3有保護(hù)作用，所以不建議摘除R5。

圖1.13， R5的選值與線性區(qū)間的關(guān)系

如圖1.14，通過(guò)R6也可以微調(diào)線性區(qū)域，但是R6對(duì)電路穩(wěn)定性影響比較大，不建議隨意變動(dòng)。

圖1.14， R6的選值與線性區(qū)間的關(guān)系

3）、這套電路的監(jiān)督、反饋機(jī)制是比較弱的，從監(jiān)督到執(zhí)行，再到具體落實(shí)的過(guò)程，電路的控制力比較弱，原因是由T2組成的決策機(jī)構(gòu)的增益不足，也就是說(shuō)電路的直流增益比較小，后果是穩(wěn)態(tài)誤差比較大，特別當(dāng)負(fù)載電流變化比較大的時(shí)候，如風(fēng)扇。所以，由集成電路實(shí)現(xiàn)的LDO會(huì)使用運(yùn)算放大器代替T2，因?yàn)檫\(yùn)放的增益很大，如圖1.9示意。

直流增益小的后果是，特性曲線表現(xiàn)疲軟，帶載能力弱，如圖1.15示意。當(dāng)負(fù)載的需求波動(dòng)比較大的時(shí)候，電路響應(yīng)慢，對(duì)誤差的控制能力弱，所以輸出電壓也會(huì)隨負(fù)載波動(dòng)而波動(dòng)。我們知道風(fēng)扇是感性負(fù)載，她的脾氣（對(duì)電流的需求）是感性的，圖1.16是實(shí)測(cè)的電壓波動(dòng)波形。

圖1.15， 風(fēng)扇控制電路的帶載能力

放大細(xì)節(jié)：

圖1.16，風(fēng)扇在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電壓波動(dòng)

4）、不過(guò)，風(fēng)扇控制的并不要求很精確，所以這個(gè)電路應(yīng)用起來(lái)沒(méi)有問(wèn)題，不過(guò)需要防范風(fēng)扇的“脾氣”發(fā)泄到隔壁負(fù)載上去，避免由感性負(fù)載所產(chǎn)生的噪音對(duì)系統(tǒng)其它模塊產(chǎn)生的干擾。

避免干擾的做法就是增加濾波器，在常規(guī)的電源設(shè)計(jì)之中，一般會(huì)在靠近負(fù)載端就近擺放一個(gè)濾波器。這樣做的目的是為了保證進(jìn)入負(fù)載的電源是干凈的，特別是當(dāng)負(fù)載是“敏感體質(zhì)”的模擬電路，如圖1.17。

圖1.17，負(fù)載的輸入濾波器設(shè)計(jì)

但是，對(duì)于風(fēng)扇來(lái)說(shuō)，濾波器的擺放需要顛倒過(guò)來(lái)，風(fēng)扇是“熊孩子”，我們需要防止他對(duì)別人的傷害，如圖1.18。

圖1.18，風(fēng)扇的輸入濾波器設(shè)計(jì)