带温度测量反馈的可调速风扇散热系统有哪些（温度控制风扇转速原理）

介绍

工业以太网交换机和服务器在功率较高时会产生较多的热量，通常需要散热以保证系统的正常运行。一般都会安装冷却风扇。对于带测温反馈的可调速风扇冷却系统，根据物体温度灵活调节风扇转速。同时采用MSP430单片机作为控制平台，通过I2C接口与主机进行通信，并增加了故障检测和报警功能，具有较高的可靠性。控制灵活，节省系统能耗。

系统结构

系统结构采用MSP430主控MCU与DRV8871电机驱动芯片组合，如图1所示。系统利用MSP430的片内ADC采集NTC热敏电阻两端的电压，实现低成本的温度测量功能。另外，主控MCU在输出占空比可调的PWM波形的同时，还预留了I2C通信接口。主机CPU可以向MSP430发出控制命令，读取温度、转速、故障状态等信息。通过向冷却系统添加测温反馈，可以根据被测物的温度实时控制风扇转速。替代单一定速风扇冷却系统，达到一定的节能效果。同时可以在风扇故障或温度过高时提供状态警告和保护。其中，DRV8871电机驱动芯片支持最大峰值电流3.6A，6.5V至45V宽供电范围，并集成过流保护、过温保护、睡眠模式等功能。

图1 系统框图

该冷却系统解决方案具有以下特点和优点：

使用温度作为反馈的可调速风扇冷却系统

I2C接口用于主机控制和读取数据

TI 超低功耗系统微处理器MSP430

灵活的双速调节方式，主机控制和温度控制

基于NTC 的低成本温度测量

PWM占空比控制分辨率达到0.5%

系统故障检测与保护

高效率、高可靠性的节能冷却系统

主机I2C接口控制命令协议

系统主平台CPU可以通过I2C接口与散热子系统进行通信，读取散热子系统的温度、风扇转速、系统故障状态等信息。同时可以通过命令设置系统速度，使系统进入或退出睡眠模式。

控制命令包：

命令参数1 参数2 校验和

返回数据包：

温度速度(MSB) 速度(LSB) 风扇故障状态

NTC测量校准和温度查找表

NTC是具有负温度系数的热敏电阻。其电阻值随温度升高而减小，可用作温度传感器。考虑到散热系统对测温精度要求较低，系统采用NTC测温方案，并使用MSP430的片内ADC作为转换，具有成本低廉的优势。电阻值与温度有如下关系

其中， 为环境温度为（单位：）时对应的NTC电阻值， 为NTC的温度常数。

采用NTC作为传感器测量温度，其电路图如图2所示。分压电阻R7与NTC电阻RT1串联，中间电压作为ADC模块的模拟输入MSP430。分压电阻的阻值根据所选型号NTC数据表中给出的温度特性来选择，以保证良好的输入电压范围和分辨率。

图2 NTC测温电路

由于涉及复杂的对数运算，对于低成本精度要求不高的场景，采用实验测量校准的方式生成温度和ADC采样值对应的表格。查表法比较合适。首先，使用温控设备校准温度表和ADC采样值。从测量电路结构可以看出，ADC采样值与当前温度成反比，因此测量数据表是顺序表，可以采用顺序表查找算法。

图3 查表法测温

双控制模式和软启动功能

系统支持两种速度调节模式。除了利用温度反馈来调节风扇转速外，主机还可以通过I2C接口向MSP430微控制器发送命令来设置当前风扇转速。当主机发送设定速度命令时，系统速度主机控制速度模式。风扇转速由主机给出的命令参数决定。当需要退出主机控制模式时，发送退出设定速度模式的命令，即切换到温度反馈控制模式。另外，为了防止风扇启停或从低速突然加速到高速时电机电流过大，在MSP430控制软件中添加了慢速软启动代码。风扇将从当前转速开始以一定的速度启动。步长逐渐变为设定速度。

图4 双控模式

审稿编辑：郭婷