摘要：介绍了新型散热风扇速度控制器FSCT芯片的原理及其特性。并设计制作了两种实际应用电路。实验结果验证了理论分析的正确性，证明了设计的可行性、可靠性、实用性。

关键词：风扇转速控制；散热；变换器；绿色能源

0    引言

    随着开关电源的不断发展，为了提高电力电子设备的功率密度，必须提高开关频率，减小体积[1]。但开关频率的提高，必然增大磁性元件、开关器件的功耗[2]，这就使设备的热管理和散热成为一个不可避免的问题[3]。通常采用的散热方式有使用风扇、散热器、导热管、温度传感器、控制器IC及软件等[4]。其中，使用风扇是最简便常用的一种方法，它的关键是解决风扇的可闻噪声，空载损耗以及转速与温度的关系等问题[3]。本文将介绍两种以低成本的散热风扇速度控制器FSCT为核心所构成的根据温度调节风扇转速的电路。

1    FSCT芯片原理及特性

    FSCTxxA-UH5系列芯片是高集成度低成本的风扇速度控制器，它由连接到翼片的内部热敏传感器调节风扇转速。适合用于需要低成本通风设备的电力电子变换器。

1.1    风扇速度控制

    FSCTxxA-UH5内部结构如图1所示，它内部集成了参考电源、温度传感器、迟滞比较器、接通调整器以及驱动器。与芯片内部迟滞比较器相连的OUT端产生与翼片温度成比例的连续模拟电压V_OUT，线性地控制外部PNP晶体管（风扇晶体管），使风扇转速随V_OUT线性变化。V_OUT与温度反方向变化，从而使风扇两端电压V_FAN与温度同方向变化。

图1    芯片内部结构及外部连接图

    风扇两端电压VFAN如式（1）所示：

    VFAN=VDD－Veb－VOUT（1）

    此时PNP作为线性放大器运行，避免了脉宽调制控制电路中的EMI和噪音。

1.2    ON/OFF状态工作特性

    改变芯片ON端的电平，可使芯片运行于两种状态：ON状态（最小速度模式）和OFF状态（迟滞模式）。

1.2.1    ON状态（最小速度模式）工作特性

    当ON端为高电平或悬空时，芯片工作于ON状态。此时风扇转速由温度调节，且风扇始终工作，从而避免了温度过低造成电压过低而使风扇停转，同时也抑制了风扇反复启动时的噪音干扰。

    如图2所示，不同的温度T_j，输出电压有如下3种情况：

    1）T_j<T_MS：V_OUT被限于V_OMS以避免风扇停转；

    2）T_MS<T_j<T_OL：V_OUT由温度线性调节；

    3）T_j>T_OL：V_OUT被锁定在最小值VOL。

式中：T_MS为芯片工作于ON状态时，达到最大值即V_OMS时开始调节风扇速度的温度，对应于图2中线形调节部分的最低温度；

      T_OL为芯片工作于ON状态时，达到最小值即V_OL时将要停止调节风扇速度时的温度，对应于图2中线形调节部分的最高温度；

      T_j为端子的实际温度。

图2    FSCT模式下的温度－输出特性

1.2.2    OFF状态（迟滞模式）工作特性

    FSCT芯片的迟滞模式为一种绿色工作模式。所谓的绿色工作模式，即通过控制某一适当的量而使器件间歇工作，从而减小功率损耗[5]；具体到FSCT芯片，就是通过使风扇间歇工作，从而减小风扇消耗的功率。如图3所示，T_j低于开启温度T_ON时，风扇不转；T_j高于T_ON时，风扇转到ON模式，转速由温度调节，与ON状态工作相同，这一特性可使电源或半导体器件免于温度过高而损坏；温度低于T_OFF时，风扇自动停转，满足节能要求。在OFF状态下运行时，滞环要足够大以减小风扇开关转换时的振荡。

    实际上，当加热功率为一固定不变的值时，有以下3种情况：

    1）加热功率太低，总有T_j<T_OFF，风扇一直不工作，如图3中图线1所示；

    2）加热功率足够使T_j>T_ON，但在风扇工作后，不足以维持T_j>T_OFF，从而导致风扇在周期性地开关，如图3中图线2所示；

    3）加热功率较高，足以使T_j>T_OFF，则风扇始终转动，如图3中图线3所示。

图3    FSCT模式下OFF状态3种实际运行温度情况

2    应用电路设计

    根据FSCT芯片的原理及特性，设计两种应用电路，使芯片分别工作于FSCT模式（通常的风扇速度控制模式）和DWN模式（增大温度－电压调整率的风扇速度控制模式）。在每种工作模式下，同样分别有ON/OFF状态。

    如图4所示，可通过开关S来进行两种工作电路的转换。

图4    实际应用电路

    当开关S打在FSCT端时，芯片工作在FSCT模式，此时OUT端直接与风扇相连，无须运算放大器再次调节。芯片ON/OFF工作状态如前所述。

    当开关S打在DWN端时，芯片工作在DWN模式。DWN模式通常使用在需要特定的温度调节特性的场合，运算放大器MC33172再次调节以改变PNP基极电压和温度比率从而改变温度调节特性。

    DWN模式保留了当温度低于TMS时维持最小电压V_OMS的优点，同时，可以增大温度比率，即T_j变大时加快V_OUT的减小速度。运算放大器U1B的输出电压也就是此时风扇控制电路的输出电压V_NEW为

    V_NEW=V_OUT    (V_OUT>V_REF)（2）

    V_NEW=V_OUT－(V_REF－V_OUT)    (V_OUT<V_REF)（3）

    图5为DWN模式下的温度－输出特性曲线，对比图5和图2，显见DWN模式下V_OUT随温度变化更快。

图5    DWN模式下的温度－输出特性

3    实验结果及分析

    在室温25℃、V_cc=12V的测试条件下，分别测定FSCT和DWN模式下的温度－输出特性曲线如图6和图7所示。图6所示为实验实测FSCT模式下的温度－输出特性曲线，图7所示为实验实测DWN模式下的温度－输出特性曲线。

（a）ON状态            （b）OFF状态

图6    实验实测FSCT模式下的温度－输出特性曲线

（a）ON状态            （b）OFF状态

图7    实验实测DWN模式下的温度－输出特性曲线

    分别由图6(a)、图6(b)和图7(a)、图7(b)可求得，FSCT模式下输出电压变化率k分别为0.133（ON状态）和0.135（OFF状态），二者基本保持一致；DWN模式下输出电压变化率k分别为0.189（ON状态）和0.190（OFF状态），二者也基本保持一致。这就说明两种工作状态下芯片工作于线形区时，温度－输出特性曲线斜率相同，与图2相符。由分别的图线可看出，实际情况下芯片的温度－输出特性曲线与芯片手册相符。

    对比图6和图7，可知在DWN模式下，芯片工作于线形区时，温度－输出特性曲线斜率k大于FSCT模式，即使V_OUT随温度变化更快，与分析相符。

4    结语