一种带风扇故障检测的风扇控制器的制作方法

1.本实用新型涉及风冷通信技术领域，且更具体地涉及一种带风扇故障检测的风扇控制器。


背景技术：

2.交换机或onu mdu(无源光网络多用户单元)上在整机热耗比较大，自然散热不能满足要求时，就必须采用风扇来强迫风冷。器件的温度取决于系统所处的环境温度以及芯片自身的热耗和风扇转动引起的空气环流过程中散发热量的效率。器件的工作温度决定了器件的寿命。国外相关研究表明，器件温度在超过45℃时，温度每上升10度，寿命降低一半。为了系统可靠性，必须进行散热处理。风扇转动时产生的噪声及引起的机箱振动是设备噪声源头。目前我们设备上采用强迫风冷时对风扇转速采用恒定转速。这样虽然控制比较简单，但将提供海外使用时可能会有问题。国内标准yd 1816《电信设备噪声限值要求和测量方法》没有常温和高温的区别，欧洲标准en 300753《acoustic noise emitted by telecommunications equipment》有规定要测试产品在常温和高温下的噪声，高温下允许声学噪声比常温下高一些。
3.产品海外使用时，因为欧盟等对户外使用通讯设备的人耳可闻声学噪声的限值要求，在常温下和高温下允许的噪声限值不同，这就迫使我们必须采用温控措施，单一转速不能满足要求，以某一恒定低速转动时，可能高温下散热有问题，以某一恒定高速转动时，可能常温下噪声有问题。另一方面在低温下产品散热没有问题，风扇可能根本不需要启动，低温下风扇运转白白浪费电能，而且风扇持续转动长时间工作会影响风扇的总寿命。况且，现在通讯设备的热耗是动态变化的，白天和晚上负荷不同，poe供电有没有开启，多通道交换机是不是满载等情况多变，smallcell小基站射频功率根据承载的用户数动态变化，更是需要实时监控温度点来进行风扇调速。
4.现有技术中，常见的风扇调速控制多采用基于多点温度传感器检测,mcu全程参与温度控制和调速，占用了珍贵的mcu资源，在一个确定的散热系统中，处于热平衡的系统内各点温度彼此之间具有很强的相关性，用户只需要关注核心敏感部件的温度作为监控指标，即采用单点温度监控是可行的，多点温度检测在产品初期可作为摸底措施，在成熟产品设计后期没必要采取多点温度检测。另外目前普遍使用的专门的温度传感器比较昂贵，有必要探索替代方案。有些价廉的风扇只有电地两个供电管脚，此类风扇自身不带pwm和故障检测，对它们也需要进行调速和故障检测。


技术实现要素：

5.针对上述技术的不足，本实用新型公开一种带风扇故障检测的风扇控制器，无需mcu参与的，采用廉价ntc作为温度传感器，带有风扇故障检测的基于单点核心部件温度控制的低温下可关断来节能的线性调速风扇控制电路。
6.本实用新型采用以下技术方案：
7.一种带风扇故障检测的风扇控制器，包括壳体和设置在所述壳体内的电气组件，所述电气组件包括温度传感器、电压变换器、斜坡信号发生器、第一迟滞比较器、第二迟滞比较器、第三迟滞比较器、放大电路、风扇和风扇电源，其中所述温度传感器的输出端与电压变换器的输入端连接，所述电压变换器的输出端以及斜坡信号发生器的输出端分别与第一迟滞比较器的负向比较端和正向比较端连接，所述第一迟滞比较器的输出端与放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端与风扇电源的输入端连接，所述风扇电源通过电机驱动风扇旋转；其中所述温度传感器的输出端还与第二迟滞比较器的正向比较端连接，所述第二迟滞比较器的输出端与三极管电路连接，所述三极管电路的截止端与第三迟滞比较器的正向比较端连接。
8.在本实用新型中，所述温度传感器为ntc温度传感器，并且所述温度传感器在1.25v～2.65v的输出电压时对应0％～100％的占空比。
9.在本实用新型中，电压变换器的输出电压为不大于1.4v。
10.在本实用新型中，斜坡信号发生器为基于窗口比较器与运放积分电路形成的斜坡信号发生电路。
11.在本实用新型中，斜坡信号发生器包括开关电容积分电路，开关电容积分电路包含高增益运算放大器和互相并联连接的高速mos开关和积分电容，并且所述高速mos开关和积分电容并联的一端与高增益运算放大器的正向比较器端连接，另一端与高增益运算放大器的输出端连接。
12.在本实用新型中，斜坡信号发生器还通过分立器件构成斜坡发生器电路。
13.在本实用新型中，所述第一迟滞比较器、第二迟滞比较器和第三迟滞比较器均为施密特触发器。
14.在本实用新型中，故障检测电路为基于晶体三极管的故障检测电路。
15.积极有益效果：
16.本实用新型设计了一种带风扇故障检测的风扇温控线性调速控制电路，无需微控制的介入，即可有效地完成风扇控制功能，不过多占用mcu资源。在系统内部核心热敏感监控点，当采集到温度较低时，控制风扇具有节能的关断模式；支持廉价的负温度系数热敏电阻作为温度传感器；转速与温度成正比；温控下风扇以适当转速转动，比全速转动噪声低，而且风扇可在较低温度时关掉，延长了风扇使用寿命；内含故障检测电路，可检测廉价不带自检测的风扇的故障并及时上报mcu。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
18.图1为本实用新型中一种带风扇故障检测的风扇控制器的电气组件原理结构图；
19.图2为本实用新型一种带风扇故障检测的风扇控制器的一种斜坡发生电路的示意图；
20.图3为本实用新型一种带风扇故障检测的风扇控制器中振荡器电路的示意图；
21.图4为本实用新型一种实施例的斜坡电路示意图；
22.图5为本实用新型通过外部mosfet和电阻构成滞回电路示意图；
23.图6为本实用新型通过外部mosfet和电阻构成滞回电路的滞回比较电路波形示意图。
具体实施方式
24.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
25.如图1所示，一种带风扇故障检测的风扇控制器，包括壳体和设置在所述壳体内的电气组件，所述电气组件包括温度传感器、电压变换器、斜坡信号发生器、第一迟滞比较器、第二迟滞比较器、第三迟滞比较器、放大电路、风扇和风扇电源，其中所述温度传感器的输出端与电压变换器的输入端连接，所述电压变换器的输出端以及斜坡信号发生器的输出端分别与第一迟滞比较器的负向比较端和正向比较端连接，所述第一迟滞比较器的输出端与放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端与风扇电源的输入端连接，所述风扇电源通过电机驱动风扇旋转；其中所述温度传感器的输出端还与第二迟滞比较器的正向比较端连接，所述第二迟滞比较器的输出端与三极管电路连接，所述三极管电路的截止端与第三迟滞比较器的正向比较端连接。
26.在本实用新型中，所述温度传感器为ntc温度传感器，并且所述温度传感器在1.25v～2.65v的输出电压时对应0％～100％的占空比。
27.在具体实施例中，用ntc组成的温度传感器采集系统核心温度敏感位置的当前温度对应实测电压，减去1.25v后与斜坡信号比较，从而产生反向pwm信号，低于0v的信号pwm为100％。因pmos导通条件为源极电压高于栅极。我们特意选用输出为漏极开路的迟滞比较器，并将漏极上拉到12v，确保pmos的必要关断。温度传感器实测电压在1.25v以下时，风扇不加电源。电压大于1.25v时才启动并按温控电压调速。
28.在上述实施例中，其中r1、r2的选取可依据ntc的具体参数来定。如果ntc在最低温度时为4.6kω，最高温度时为1.1kω，则r1可选75kω，r2可选1kω。
29.在本实用新型中，电压变换器的输出电压为不大于1.4v。
30.在具体实施例中，反向pwm信号通过pmos控制加到风扇的电压大小来实现连续温控调速。
31.在本实用新型中，斜坡信号发生器为基于窗口比较器与运放积分电路形成的斜坡信号发生电路。
32.在具体实施例中，pwm不是由现成的芯片实现，是通过一个开关电容积分器或分离电路实现斜坡发生器，50hz时钟信号用于给积分器复位。
33.在具体实施例中，斜坡发生器电路的作用是产生一个周期性三角波，并且由振荡器时钟控制该周期性三角波，最终产生的周期性三角波作为pwm比较器的被调制信号电压。
34.在本实用新型中，斜坡信号发生器包括开关电容积分电路，开关电容积分电路包含高增益运算放大器和互相并联连接的高速mos开关和积分电容，并且所述高速mos开关和积分电容并联的一端与高增益运算放大器的正向比较器端连接，另一端与高增益运算放大器的输出端连接。
35.在具体实施例中，斜坡的模型即传输函数为：
[0036][0037]
在公式(1)中，a是运放的增益，v
ref
和i
ref
分别是基准电压和基准电流，c是积分电容。t是复位信号的周期。斜坡电压的线性度主要取决于基准电流，由常电流镜产生。开关电容积分电路包含高增益运算放大器、高速mos开关、积分电容等。复位信号控制mos开关决定斜坡电压的运算范围。斜坡电压的斜率由基准电流和电容决定。此电路比较复杂。考虑到实现成本问题，我们不打算采用开关电容积分电路来产生斜坡信号。
[0038]
在具体实施例中，在传统的三角波发生电路的设计中，三角波产生原理是利用积分电路得到，为了尽量简化电路设计，也可采用的基本思想是用由晶体管t1、t2和t3构成的威尔逊电流源在晶体管t3的集电极形成稳定的电流对电容cr进行充、放电，脉冲为低电平时缓慢充电，脉冲为高电平时迅速放电。当脉冲连续不断从输入端输入时，从电容的输出端引出电压，就形成了一定周期的斜坡电压。
[0039]
在本实用新型中，斜坡信号发生器还通过分立器件构成斜坡发生器电路。
[0040]
具体实施例中，如图3所示，电路中电压v1是为了保证与稳定供电的基准电压v
ref
一致而外加的5.0v电压，v是为了保证电路正常工作外接的激励电压。10端为斜坡发生器电压信号的输出端，由振荡器产生的脉冲信号从input端接接入，通过脉冲来控制放电管的开关，1端为控制充电电流大小的外接采样控制端。
[0041]
斜坡发生器电路工作过程如下，当振荡器脉冲的低电平信号从input端的输入时，放电管t5、t6截止，当给端子1接入一个稳定电压后，晶体管t7和t8导通，根据威尔逊电流源的镜像原理，晶体管t3导通并给电容cr充电，电容上的电压升高；而当振荡器脉冲的高电平信号从input端输入时，晶体管管t5、t6导通，电容cr放电，电容上电压逐渐减小。随着振荡器周期性脉冲输入，在端10处就可以形成稳定的三角波输出电压。调整外加电压v和电阻r3，r4的大小，能够调节电容的充电电流ic。在电容cr的充、放电过程中，若设电流源提供的为电容充电的电流为ic，电容电压初值v
cr
＝0，则可以得到电容电压v(t)与时间的线性关系：
[0042][0043]
在另外一种实施例中，时钟信号的产生的方法如下：
[0044]
振荡器通常用来产生重复电子讯号(正弦波或方波)，由振荡器所构成的电路称为振荡电路，振荡电路可以把直流电转换为具有一定频率的交流电信号输出。振荡器有很多种类，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音又振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方4波、锯齿波等振荡器。振荡器广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。
[0045]
在pwm电源管理芯片电路中，振荡器电路被广泛使用。pwm芯片中振荡器电路由电容的充放电过程，产生一个脉冲，并将这个脉冲作为电路的时钟，以确定整个控制电路的周期。
[0046]
在设计振荡器电路时，考虑通过控制外接电容的大小来控制电路的周期。电路设计利用了比较器电路，比较器电路的一端保持恒定，另一端接充电电容，当电容的充电电压
达到某值时，比较器翻转，这时电路将电容放电，可以在比较器电路的输出端形成脉冲，若电容放电，则电压降低，比较器又将翻转，对电容充电，从而形成了稳定的、周期性的输出脉冲。如图4所示，该电路采用关系式表示电路中的各个元件参数：
[0047][0048][0049][0050]
在本实施例中，选定r6＝10k欧姆，vtri设定为1.35v，因v1是2.5v，则r5＝5.4k；将振荡频率设定为50hz，选c3为1000pf,则r7＝9.3m欧。
[0051]
在本实用新型中，所述第一迟滞比较器、第二迟滞比较器和第三迟滞比较器均为施密特触发器。
[0052]
在具体实施例中，绝大多数比较器中都设计带有滞回电路,通常滞回电压为5mv到10mv。内部滞回电路可以避免由于输入端的寄生反馈所造成的比较器输出振荡。但是内部滞回电路虽然可以使比较器免于自激振荡,却很容易被外部振幅较大的噪声淹没。这种情况下需要增加外部滞回,以提高系统的抗干扰性能。在具体实施例中使用了两个mosfet和一个电阻网络调节正负极性的阈值，如图5所示。具体地，通过外部mosfet和电阻构成滞回电路，如图6所示。输入/输出电压波形后，必要时可以通过电阻r1、r2进行选择，将p1比较器针对1.25v门限设置扩展滞回电压50mv，即v
th1
＝1.275v，v
th2
＝1.225v。而比较器p0和p2采用滞回比较器内部的10mv回滞电压差即可。
[0053]
在本实用新型中，风扇故障检测电路为基于晶体三极管的检测电路。其工作原理是：当温度超过设定阀值温度tbr时，比较器p1输出高电平，vt导通，风扇才开始工作。vt的集电极电流ic通过检测电阻rsen到地，在rsen上端的电压vsen＝lc*rsen。当电机正常时，vsen电压大于p2的基准电压，p2输出高电平；当电机绕阻断线(或vt损坏)，vsen＝0，p2的基准电压300mv大于vsen，p2输出低电平，表示电机有故障(或vt坏了)，将此信号送至mcu。
[0054]
本实用新型提出的一种带风扇故障检测的风扇温控线性调速控制电路，无需微控制的介入，即可有效地完成风扇控制功能,不过多占用mcu资源。在系统内部核心热敏感监控点，当采集到温度较低时，控制风扇具有节能的关断模式；支持廉价的负温度系数热敏电阻作为温度传感器；转速与温度成正比；温控下风扇以适当转速转动，比全速转动噪声低，而且风扇可在较低温度时关掉，延长了风扇使用寿命；内含故障检测电路，可检测廉价不带自检测的风扇的故障并及时上报mcu。
[0055]
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本实用新型的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本实用新型的范围。因此，本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。