专利名称：风扇转速的控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子或通信领域的散热技术，尤其涉及一种风扇转速的控制方法及装置。
背景技术：
随着电子通讯设备集成度和工作速度的不断提高，系统功率密度也在不断增加，在有限的空间内电子设备的散热问题日益严重，在绝大多数情况下必须使用风扇对系统进行强制制冷。但风扇的使用却带来如噪音的存在、风扇失效导致系统瘫机等一系列的问题，而且噪音亦随着风冷强度的增加而提高，所以如何解决风扇噪音的问题已经成为通信设备设计的关键点之一。在现有技术中，一般是通过对风扇工作状态的监视和转速的控制来解决上述问题，使系统的噪音和功耗减小、寿命和可靠性增加。电子设备在选择风扇时通常是根据其满配置时的最大功耗和最高环境温度来考虑的，然而在绝大多数情况下系统并不是工作在最恶劣的条件下，这种情况完全可以通过减小风扇的流量CFM(Cubic Feet per Minutes)从而减小风扇的功耗和噪声，而在系统负载和环境温度增加时再提高风扇的流量以满足系统的制冷需求。
常用的方法是根据温度的变化对风扇的转速进行控制，在环境温度降低时，相应的降低风扇的转速，这样就可以有效地提高风扇的使用寿命。同时，在风扇的转速控制线路中增加风扇工作状态检测功能，当检测到状态异常时，可以发出报警信号请求采取相应的措施。由此也降低了因风扇的损坏引发的系统故障，提高了设备工作的可靠性。
通信设备常用的供电制式为48VDC输入，实际工作电压为53.5VDC。根据目前的全球化趋势，许多场合都要求设备支持宽范围电压输入的要求(36～72VDC)，这样的设备几乎可以适应世界各个地区的48V供电系统(尤其是直接采用60VDC供电系统的国家和地区)。通常48V输入的风扇工作电压范围多数在28～56VDC，相对而言，如果工作电压超过额定电压，风扇的使用寿命将会急剧降低，这对设备运行和安全都存在着巨大的隐患。
一般地，风扇控制单元都是相对独立的，有着自己的安装空间(多数位风扇框内，且比较狭小)和单独的控制系统(保证与系统业务相对隔离，通过各类系统总线与主控单元通讯。)。目前的发展趋势是风扇单元功率越来越大，成本要求却越来越严。如何能找到既符合风扇输入电压要求，又能有效的调节风扇的转速的方法，一直是困扰着风扇使用的一个难题。
在通信设备中常用的风扇多数属于直流无刷电机，根据风扇电机规格的不同，进行转速控制有两种常用的方法脉冲宽度调制(PWM)调速和线性调压调速。
现有技术一如图1所示，这种方法是通过数字型温度传感器采集风扇框内部环境温度，在鼓风式系统中作为系统环境温度参考。在以环境温度作为控制参数的系统中，该温度采集点的指标即为控制依据。由CPU控制单元(使用单片机作为电路核心控制部件)完成对温度和风扇工作状态的采样，并通过串口与主控方面进行通讯。根据预先设定的风扇调速策略，由单片机生成的PWM控制信号通过单稳、光耦和功率晶体管等电路为风扇提供隔离的受控功率输入。
这种控制方法的实质是让加在风扇两端的电压为一PWM信号，通过调节PWM信号的占空比来改变风扇的转速。该技术有如下缺点(1)调速范围窄。该控制方案选用的是堵转信号输出的风扇(风扇正常运行时为低电平信号，异常时为一高阻态信号)，因此，如果加在风扇两端的电压是一个宽电压范围的占空比信号(0～56VDC)，则风扇的堵转信号无法表示该器件的运行状态。采用折衷的办法使得加在风扇两端的电压变化范围在24～56VDC，可以保证风扇信号端始终带电。这样，风扇的转速与PWM信号的占空比不成线性关系，造成风扇控制方法的复杂化，更主要的是这种方案使得风扇转速的最终变化范围只有90～100％，很难满足现在的产品对于风扇转速范围的要求。(2)不适用宽电压(36～72VDC)输入。受输出功率调整管和单板尺寸的限制，单板最高工作电压只能到60VDC(再进一步提高工作电压，器件将由于过热而损坏)。(3)调整管上功耗较大。风扇电压的调速参考点是额定电压48V(通讯设备的48V基准电压实际上是53.5VDC输入)，超过额定电压的部分和风扇在24V工作时的降压，都将转化为调整管上的热损耗。
现有技术二如图2所示，该方案选用的是带有PWM调速控制端子的4线制风扇。通过串口和主控单元进行通信，风扇监控板负责采集环境和系统插框出风口温度，监视风扇框内风扇运行状态，根据温度控制策略、主控命令和风扇运行状态输出PWM控制信号，该信号输入到风扇PWM信号端用以调整风扇运转速度，实现对风扇的调速控制。由于采用了带有PWM控制端子的风扇，通过调整输出信号的占空比，使其转速在30～100％范围内可调，可以满足产品方面的降噪需求。该技术有如下缺点(1)不适用宽电压(36～72VDC)输入。受输出功率调整管和单板尺寸的限制，单板最高工作电压只能到60VDC(再进一步提高工作电压，器件将由于过热而损坏)。(2)风扇总成本较高。由于设计中选用了带有PWM信号端子的4线制风扇，相较普通带堵转信号的风扇成本提高了近五分之一。(3)效率低。风扇电压的调速参考点是额定电压48V(通讯设备的48V基准电压实际上是53.5VDC输入)，超过的额定电压部分，都将转化为调整管上的热损耗。
现有技术三，采用分立原件在单板上搭建DC/DC电源驱动和稳压电路(支持36～72VDC输入，输出为稳定的48VDC)，其它方面与现有技术二类似。这种方案的主要缺点可生产性较差，采用多个分立元件组合，增加了单板工艺的复杂度；可维护性差，一旦出现供电故障，很难进行问题定位和解决；采用带有PWM端子的风扇总成本较高。
发明内容
本发明提供了一种风扇转速控制方法及装置，以解决现有技术中存在控制工艺较较复杂且成本较高的问题。
本发明的风扇转速控制方法包括如下步骤根据采样信号生成脉宽调制信号；根据所述的脉宽调制信号的占空比调整系统输入电压进而得到所需的输出电压；利用上述的输出电压驱动所述的风扇。
上述方法中使所述的输出电压与所述脉宽调制信号的占空比保持线性关系。
若所述脉宽调制信号的占空比在设定范围内，使所述的输出电压与所述占空比保持线性关系；若所述占空比超出所述设定范围，调整输出电压使风扇恒速运行。
所述占空比在所述设定范围内时，所述输出电压控制风扇转速在全速与半速之间变化；所述占空比超出所述设定范围时，所述输出电压控制风扇转速为全速或半速。
所述设定范围为15％-60％。
当所述调压控制模块出现故障时，使系统输入电压直接驱动风扇。
本发明的风扇转速控制装置包括电源输入单元和控制该电源输入单元的外围控制单元，所述的电源输入单元为外围控制单元和风扇提供驱动电压；所述的电源输入单元包括滤波电路，所述的外围控制单元包括CPU控制单元和温度传感器控制电路，所述电源输入单元还包括一调压控制模块，该调压控制模块分别与所述的外围控制单元、滤波电路和风扇相连接，根据外围控制单元输出的脉宽调制信号调整系统输入电压以得到所需的输出电压，由该输出电压驱动风扇。
在上述装置中所述的调压控制模块直接与带有脉宽调制输出的温度传感器相连接。
所述的调压控制模块与所述的CPU控制单元相连接，该CPU控制单元根据采样信号生成脉宽调制信号。
所述调压控制模块包括电压先降后升(Buck-Boost)电路、反相器和光耦器件，所述的脉宽调制信号经光耦器件和反相器输出至Buck-Boost电路。
所述的调压控制模块与风扇之间还连接有一继电器控制回路，该继电器控制回路用于断开或接通调压控制模块与风扇之间的连接；所述的CPU控制单元根据调压控制模块输出的故障信号向所述的继电器控制回路发送控制信号。
所述的继电器回路还与所述的滤波电路相连接。
在所述CPU控制单元与所述继电器控制电路之间还连接有一单稳控制电路，该单稳控制电路用于使CPU控制单元输出的方波控制信号变为恒定的电平信号。
本发明带来如下有益效果(1)设计总成本低廉。本发明中选用的控制模块48S48，是专门为风扇驱动设计和定制的，内部和外围电路选用的通用器件，有效的降低了模块的成本。采用调压式风扇控制方案，可选用通用的三线制堵转或转速反馈信号的风扇，相对带PWM端子的风扇成本都有明显的降低。通过模块的CNT端可以方便的实现风扇停转功能，保证设备在低温时的正常运转，并降低了系统的功耗。(2)能量转换效率高。相较其它调压调速控制方法(超出的额定电压都降在稳压管和调整管上了，属于无功损耗)，只有开关电源本身效率(最高可以到90％)造成的额外损耗。(3)应用广泛。在需要采用调压调速风扇控制的场合几乎都可以使用本专利描述的方法。调压模块48S48的部分电路采用外置式设计，大大减小模块的结构尺寸，方便在不同场合的安装和应用；低温停转、大范围转速可调的设计，几乎可适用于各类风扇应用控制的场合。(4)可靠性高、维护方便。专用化的模块设计，提供故障检测端口，可方便进行模块的更换。风扇驱动电路在故障发生后可切换到与系统电源直连状态，有效的保证了设备的稳定运行。(5)可方便实现转速闭环设计。由于采用调压调速的控制方法，在采用转速反馈信号的风扇后，结合CPU的监测，可有效的提高风扇系统控制精度。(6)风扇调速控制曲线与电源模块的结合设计。有两个好处①可以直接连接带PWM输出的温度传感器，不需要CPU即可实现温度控制；②在PWM控制信号失效时，模块输出受一定限制，防止由于控制信号的紊乱造成系统的意外故障。
图1是现有技术一的电路框图；图2是现有技术二的电路框图；图3是本发明的风扇控制电路框图；图4是本发明的48S48调压模块内部工作原理图；图5是本发明的48S48调压模块的控制特性图；图6是本发明的BUCK-BOOST电路原理图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图3，本发明由电源输入单元和外围控制单元两部分组成。
外围控制单元包括串口通讯电路、风扇在位和故障检测电路、单稳控制电路、温度传感器和指示灯控制电路以及与前述电路分别连接的CPU控制单元等。串口通讯电路主要完成CPU控制单元和主控单元间的通讯通道功能。CPU控制单元采用单片机作为核心部件CPU，通过串口与主控进行通讯，一方面可以接受主控配发的调速控制数据；另一方面由板内CPU采集风扇单元和电源模块48S48的故障信息，将单板状态信息、内部告警信号上报。风扇的工作状态由外置的温度传感器采集值决定并最终控制风扇的转速。根据预先设定的调速策略，通过单板软件设置受控电源PWM信号占空比范围15～60％(该信号通过反相器后送至48S48的PWM信号端)，对应电源模块的输出电压调整范围24.5～48VDC，对应风扇单元转速调整范围50～100％额定转速。风扇在位和故障检测电路可提供多路风扇检测和驱动接口，对风扇故障信号适当处理后，送至CPU的I/O口进行监控。
电源输入单元包括输入输出EMI电路、风扇调压控制模块48S48(48S48代表输入是名义电压48Vdc，输出也是48Vdc)、电源模块48S05以及继电器控制电路等，用于对系统提供的电源进行滤波，电压转换，为外围控制单元和风扇等部分提供驱动电源。接受来自于CPU控制单元的脉宽调制(PWM)脉冲控制信号，调整风扇调压控制模块48S48的输出，并驱动风扇单元，满足系统根据温度进行调速的需求。在这部分电路中关键的核心驱动部件是调压控制模块48S48，调压控制模块48S48实质是一个电源模块，根据产品的热设计指标，先确定产品的调速控制曲线，即决定各温度和转速控制点。由于风扇转速和电压基本成正比，这一结果需要在开发完成后再进行测试和校正。将各温度控制点的转速值换算成大致的电压值，再由图5确定在该温度点的PWM值。然后通过单片机的软件控制PWM信号的输出，经过反相电路后送到48S48的PWM控制端。PWM信号的频率范围在模块中也是固定的，在600Hz～1kHz之间。调压模块48S48将系统电压输入转换为输出受控的电源电压，以此驱动风扇单元和相关检测电路。见图4，模块接收外部可调占空比信号PWM，经反相器处理后由负逻辑变成正逻辑去控制BUCK-BOOST电路的工作状态得到所需要的输出电压(BUCK-BOOST电路原理图见图6)；FAIL端提供模块工作异常告警信号，告警信号由光藕隔离送出，告警时，光藕导通；CNT为遥控关机端(可以实现在低温时的风扇停转当模块的CNT端悬空或为高电平时，模块正常工作；当CNT与Vin-短接时，模块输出为0，风扇自然就停转了)；PWM、FAIL信号与其他信号是通过内部光耦隔离的。
调压模块48S48的基本性能描述如下控制方式及输出特性调压方式为PWM控制方式，采用负逻辑控制。控制特性如图5所示，电源PWM控制信号占空比可设置范围100～0％，实际产品应用范围60～15％(GH段输出电压与脉宽信号要保持线性关系)，对应电源模块的输出电压调整范围24.5～47VDC，对应风扇单元转速调整范围50％～100％额定转速。这种设计可以保证即使PWM信号出现恒高或恒低的异常情况，输出电压可使风扇运行在半速或全速状态。
通用性设计在同等功率水平的条件下，将模块Buck-Boost电路所需的输入、输出部分的电容采用外置式设计有效地减小模块的安装尺寸。
可靠性设计与通用开关电源模块相比，48S48功能相对简单，对于电子器件而言，简单通常意味着更可靠，这与驱动风扇等机电部件应用特点完全吻合。同时，为防止由于模块本身的故障造成系统的瘫机，在供电主回路上增加继电器控制节点，保证当模块出现FAIL信号时，继电器回路将模块输出与风扇供电回路断开，如图3，当继电器控制信号导通时，继电器触点由闭合变为断开，使48S48模块输出电源回路与风扇电源输入回路断开，同时将风扇电源输入回路与48V输入回路直接相连，同时将风扇供电回路与系统电源输入直连。为防止由于其它干扰造成继电器的误动作，通过CPU输出周期性的方波信号用于控制电源输入单元的继电器闭合。该信号通过单稳控制器件后变为一恒定电平信号接到继电器输入端，这种接法可以保证即使在CPU死机等情况下，不会造成误动作。
整个电路的基本工作原理是，通过外置的数字型温度传感器可以准确的采集到设备所在的环境温度，在以环境温度作为控制参数的系统中，该温度采集点的指标即为控制依据。由板内CPU(使用单片机作为电路核心控制部件)完成对温度和风扇工作状态的采样，并通过串口与主控方面进行通讯。根据预先设定的风扇调速策略，由单片机生成的PWM信号通过反相器后控制定制调压模块48S48的输出电压，从而实现调节风扇单元转速的目的(在一定范围内，风扇转速与加在其输入端的电压成正比)。同时该电路具有完备的监测功能，当电源模块48S48损坏时，可以切换到电路直通的状态，保证在系统单点故障的情况下，仍然可以使设备稳定运行。
针对48S48的模块设计方案，可以利用分立元件在单板上搭建，实现类似或同样的功能；利用开关电源模块或分立元件组建成电压单降、单升或先升后降的类似电路方案，如Buck、Boost、或Boost-Buck等电路形式。
权利要求
1.一种风扇转速控制方法，其特征在于，包括如下步骤根据采样信号生成脉宽调制信号；根据所述的脉宽调制信号的占空比调整系统输入电压进而得到所需的输出电压；利用上述的输出电压驱动所述的风扇。
2.如权利要求1所述的风扇转速控制方法，其特征在于，所述的输出电压与所述脉宽调制信号的占空比保持线性关系。
3.如权利要求1所述的风扇转速控制方法，其特征在于，若所述脉宽调制信号的占空比在设定范围内，使所述的输出电压与所述占空比保持线性关系；若所述占空比超出所述设定范围，调整输出电压使风扇恒速运行。
4.如权利要求3所述的风扇转速控制方法，其特征在于，所述占空比在所述设定范围内时，所述输出电压控制风扇转速在全速与半速之间变化；所述占空比超出所述设定范围时，所述输出电压控制风扇转速为全速或半速。
5.如权利要求4所述的风扇转速控制方法，其特征在于，所述设定范围为15％～60％。
6.如权利要求1所述的风扇转速控制方法，其特征在于，当所述调压控制模块出现故障时，使系统输入电压直接驱动风扇。
7.一种风扇转速控制装置，包括电源输入单元和控制该电源输入单元的外围控制单元，所述的电源输入单元包括滤波电路，所述的外围控制单元包括CPU控制单元和温度传感器控制电路，其特征在于，所述电源输入单元还包括一调压控制模块，该调压控制模块分别与所述的外围控制单元、滤波电路和风扇相连接，根据外围控制单元输出的脉宽调制信号调整系统输入电压以得到所需的输出电压，由该输出电压驱动风扇。
8.如权利要求7所述的风扇转速控制装置，其特征在于，所述的调压控制模块直接与带有脉宽调制输出的温度传感器相连接。
9.如权利要求7所述的风扇转速控制装置，其特征在于，所述的调压控制模块与所述的CPU控制单元相连接，该CPU控制单元根据采样信号生成脉宽调制信号。
10.如权利要求7所述的风扇转速控制装置，其特征在于，所述调压控制模块包括电压先降后升(Buck-Boost)电路、反相器和光耦器件，所述的脉宽调制信号经光耦器件和反相器输出至Buck-Boost电路。
11.如权利要求9所述的风扇转速控制装置，其特征在于，所述的调压控制模块与风扇之间还连接有一继电器控制回路，该继电器控制回路用于断开或接通调压控制模块与风扇之间的连接；所述的CPU控制单元根据调压控制模块输出的故障信号向所述的继电器控制回路发送控制信号。
12.如权利要求11所述的风扇转速控制装置，其特征在于，所述的继电器回路还与所述的滤波电路相连接。
13.如权利要求11所述的风扇转速控制装置，其特征在于，在所述CPU控制单元与所述继电器控制电路之间还连接有一单稳控制电路，该单稳控制电路用于使CPU控制单元输出的方波控制信号变为恒定的电平信号。
全文摘要
本发明公开了一种风扇转速控制方法，包括如下步骤根据采样信号生成脉宽调制信号；根据所述的脉宽调制信号的占空比调整系统输入电压进而得到所需的输出电压；利用上述的输出电压驱动所述的风扇。本发明还公开了一种风扇转速控制装置，包括电源输入单元和控制该电源输入单元的外围控制单元，电源输入单元包括滤波电路，外围控制单元包括CPU控制单元和温度传感器控制电路，所述电源输入单元还包括一调压控制模块，该调压控制模块分别与所述的外围控制单元、滤波电路和风扇相连接，根据外围控制单元输出的脉宽调制信号调整系统输入电压以得到所需的输出电压，由该输出电压驱动风扇。
文档编号F04D29/66GK1657787SQ20041000566
公开日2005年8月24日 申请日期2004年2月21日 优先权日2004年2月21日
发明者余海, 谢勇明, 吕书江, 陈国光 申请人:华为技术有限公司