為CPU和筆記本設計高性能模擬風扇控制

雖然消費和工業(yè)電子中控制系統(tǒng)的技術要求多種多樣，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)品的關鍵。這類創(chuàng)新的一個例子就是采用TI公司的單芯片解決方案為CPU和膝上電腦設計高性能模擬風扇控制。

圖1AMC6821模塊框圖。

半導體制造商所面臨的更加緊迫的市場需求是新技術實現(xiàn)和新設計的主要驅(qū)動因素之一。此外，客戶對新器件的一個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部件以及更強的數(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工藝HPA07為例，采用此新工藝來實現(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。這些改進使得混合信號產(chǎn)品可達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現(xiàn)更高的器件集成度。

CPU風扇控制應用

新開發(fā)的AMC6821就是一個更高集成度的創(chuàng)新產(chǎn)品設計如何改善消費類應用的典型例子。這種IC的目標應用是筆記本電腦和臺式PC、網(wǎng)絡服務器、電信設備和基于PC的設備。如圖1所示，這種模擬接口電路特別設計成通過使CPU芯片保持在預先設定的、最優(yōu)化的溫度水平來改善CPU的運行。

AMC6821帶有一個精度為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風扇速度控制循環(huán)的專利技術。

圖2：自動風扇速度控制循環(huán)系統(tǒng)。

一個標準的風扇速度處理器應用程序設計是基于最壞條件參數(shù)進行的。許多熱設計參數(shù)是可變的，這與用戶或地點有關，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)以及風扇速度，風扇速度是所施加電壓的函數(shù)。使風扇速度直接和處理器節(jié)點溫度成比例是一種拙劣的選擇，因為這種關系不會直接補償可變參數(shù)的的變化，瞬態(tài)性能表現(xiàn)很差，而且還會導致很高的可辨噪聲和低的電源或者電池利用率。

圖2是自動風扇速度控制循環(huán)的一個模塊框圖，風扇啟動過程中應用了一個軟啟動算法。用戶定義參數(shù)允許設計者優(yōu)化該系統(tǒng)，應用最小的初始電壓來啟動風扇，逐漸增大此電壓將慢慢加大風扇速度，從而可防止風扇速度從0上升到全速過程中產(chǎn)生惱人的噪聲。一旦風扇開始運轉(zhuǎn)，控制算法則會調(diào)整施加在風扇馬達上的電壓以便CPU溫度保持恒定。由設計者定義的控制循環(huán)參數(shù)可補償系統(tǒng)動態(tài)變化。該算法也會給系統(tǒng)一個良好的瞬態(tài)響應，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實現(xiàn)的先進風扇速度控制提供了很多優(yōu)點：設備啟動過程中低的機械應力和噪聲；可預知的處理器工作時的節(jié)點溫度(TJ)；最佳的熱設計；理想的動態(tài)性能，可補償功耗變化的同時保持節(jié)點溫度恒定；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用的一個理想選擇。節(jié)電應用例如能量表、便攜式儀器和個人消費類產(chǎn)品常常要求在下一次更換電池前能延長工作時間。

MSP430F2xx系列產(chǎn)品在減少低功率和常規(guī)應用系統(tǒng)成本和提高可靠性方面有所增強。其待機電流少于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，它采用更小的64字節(jié)區(qū)段，編程時間快到每字節(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用，例如無刷DC、AC感應和永磁發(fā)動機的變速控制，可采用數(shù)字信號控制器的TMS320C2000系列。C2000平臺設定了馬達控制性能和外圍集成的標準，將TI的DSP技術與外圍電路進行了獨特的結(jié)合，這些外圍電路包括閃存、采樣速率達到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干預就能產(chǎn)生任何波形強大PWM功能。通過功能強大而具有成本效益的C2000控制器平臺，如今設計者就擁有可以推進他們創(chuàng)新的工具，并能減少上市時間和總體系統(tǒng)成本。

C2000平臺的核心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的計算帶寬。這個帶寬能夠?qū)崟r處理復雜的控制算法，例如提供最佳機械效率和最小轉(zhuǎn)矩波紋的現(xiàn)場導向控制。C28x架構(gòu)的高速中斷響應能力可使總體系統(tǒng)瞬態(tài)響應最大化。

ADS7869：面向馬達控制的完整模擬前端

對于高端應用，例如工業(yè)馬達控制，ADS7869是一款完整的模擬前端IC。這種IC獨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個獨立的采樣率為1MSPS的12位A/D轉(zhuǎn)換器，7個采樣保持器，5個多路復用器，7個符號和3個窗口比較器，2個上/下16位計數(shù)器等。它的目標應用包括閉環(huán)伺服系統(tǒng)、機器和運動控制、多軸定位和馬達控制。ADS7869的模塊框圖見圖3。

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

馬達控制傳感器會存在源至乘積變化、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償?shù)膶＠娐?。用戶根?jù)先前測量的計算結(jié)果執(zhí)行這種補償。24個片上專用寄存器為所有12個模擬輸入通道存儲偏移量和增益修正值。

三個片上符號比較器以及三個窗口比較器加一個數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)是專門為電機電流控制提供所有必要信號而設計的。三個帶符號的信號指示逆變器的輸出電流信號是正還是負，結(jié)果使其可以用一個專門的算法來補償輸出功率開關如IGBT或者MOSFET的死區(qū)。這種補償減少了現(xiàn)有諧波，使馬達可在沒有扭矩振動的情況下平穩(wěn)運行，在低速下尤為明顯。片上DAC為窗口比較器建立了一個過電流保護的基準。三個獨立的比較器允許用戶僅在報告問題的相位上執(zhí)行校正而不干擾另外兩個相位。這個功能也可用在電流極限逐漸增加時電機的軟啟動里。

ADS7869另一個強大的功能是有一個專門的接口直接連接兩個增量正弦編碼器。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上限期望在500kHz范圍內(nèi)。為了正確測量這個信號，A/D轉(zhuǎn)換器采樣頻率至少為1 MSPS。同時編碼器模擬信號會有20%增益和20%偏移量乘積變化。ADS7869 ADC的特定功能可補償這個變化，用全部12位分辨率來實現(xiàn)滿量程信號捕獲。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)的控制算法會在同一個循環(huán)中執(zhí)行，同一時間內(nèi)所有必要信號至少要提供一次。編碼器框圖中的同步采樣信號能確保同一時刻所有的模擬信號和數(shù)據(jù)被捕獲。另一方面，異步采樣信號允許機器達到零點時用戶可在線獲取信號和數(shù)據(jù)。這兩個分離的采樣信號能確保機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，設計者會在進入ADS7869的傳輸線和信號上看到很多干擾。為了克服這個難題，ADS7869為編碼器信號提供差分模擬輸入。這個特性使用戶可以將編碼器部署在機器上，通過很長的電纜傳送信號而不會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，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。

正弦和余弦兩個編碼器信號可以通過采樣-保持電路被捕獲，A/D轉(zhuǎn)換器隨后將它們數(shù)字化。同時，為輸入編碼器信號特別設計的兩個片上比較器將輸入正弦波信號轉(zhuǎn)變成方波信號。這些信號直接反饋給兩個專門的上/下16位計數(shù)器。這里帶有一個數(shù)字濾波器，以進一步過濾信號。這個數(shù)字濾波器如果被激活，就會消除小于三個時鐘周期的干擾脈沖。然后，經(jīng)過濾波的信號再傳送到片上的一個額外的狀態(tài)機濾波器中。此狀態(tài)機只考慮正確的信號轉(zhuǎn)換，會忽略所有不規(guī)則信號。

現(xiàn)在，沒有毛刺、也沒有誤差的信號被傳遞到16位上/下計數(shù)器。四個陰影寄存器(shadow register)保存了同步和異步采樣數(shù)據(jù)、兩次計數(shù)間的時間周期、計數(shù)信號和保持信號的時間差。這些陰影寄存器也可以提供關于馬達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DSP器件，就可使用戶獲取上至27位的定位分辨率。