CN104265670A - 直流电压反馈型pwm温控调速电路及高温检测报警电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种直流电压反馈型PWM温控调速电路及高温检测报警电路，属于直流风扇控制技术领域，尤其是涉及直流风扇的PWM温控调速以及高温检测技术。面积等效原理是PWM技术基础理论之一，一定的脉冲幅值和占空比等效为一定的直流电压。本发明把调速电路输出端的PWM脉冲转换成直流电压反馈回温度检测放大电路，以调整脉冲占空比和稳定电路工作点。电路结构简单，风扇运转平稳噪声小。高温检测报警原理：高温时风扇全速运转，功率推动管直流饱和，负反馈电路因不能从输出端获取电压变量而失效。负反馈失效使温度检测放大电路脱离放大区，接有温度检测电路和负反馈电路的输入端出现电压升高，检测这个电压达到报警预设电压时发出报警信号。

Description

直流电压反馈型PWM温控调速电路及高温检测报警电路
技术领域
本发明属于直流风扇控制技术领域，尤其是涉及直流风扇的PWM温控调速以及高温检测技术。
背景技术
直流风扇反馈的转速信号从诞生起其特点就是为数字电路服务的，一般用微处理器来处理这个信号，效果好但电路复杂。一种极简易的方案，不仅无视风扇反馈的转速信号，而且放弃任何反馈环；用这种方案做成的芯片其外围电路极其简单，降低了PWM的门槛。此方案不足的是性能欠优，低频率PWM脉冲造成直流风扇震颤；热敏电阻与芯片配合不理想，在PWM占空比从0%上升至100%时，对应的温度变化为数十度。本发明提出一种直流电压反馈型PWM温控调速电路以期达到简化电路但不失性能的效果。
PWM温控调速电路故障和高温检测比较多见的方式：在直流风扇回路中串接一只小阻值电阻来检测脉冲存在与否以判断故障，这种方法的不足是降低了电源使用效率；同时，在PWM占空比达到100%风扇全速运转时，这种检测电路检测不到脉冲，输出FAULT信号，这无疑是取消了风扇全速运转发挥效能的机会。正确的高温报警时机应该是：风扇进入全速运转之后温度继续上升，并上升到一个设定的值才发出报警信号。
发明内容
本发明提出一种直流电压反馈型PWM温控调速电路及高温检测报警电路，属于直流风扇控制技术领域，尤其是涉及直流风扇的PWM温控调速以及高温检测技术。面积等效原理是PWM技术基础理论之一，一定的脉冲幅值和占空比等效为一定的直流电压。本发明把调速电路输出端的PWM脉冲转换成直流电压反馈回温度检测放大电路，以调整脉冲占空比和稳定电路工作点。电路结构简单，风扇运转平稳噪声小。高温检测报警原理：高温时风扇全速运转，功率推动管直流饱和，负反馈电路因不能从输出端获取电压变量而失效。负反馈失效使温度检测放大电路脱离放大区，接有温度检测电路和负反馈电路的输入端出现电压升高，检测这个电压达到报警预设电压时发出高温报警信号。
见说明书附图1，图1是电路结构方框图。由运放、运放偏置电路、热敏电阻、电容等元件组成温度检测放大电路。温度检测放大电路以运算放大器作放大器件，用电阻从电源分压，分压点接在运放的一个输入端为其提供偏置，这个偏置电压就是温度检测放大电路的基准电压，并由这个电压确定风扇最低工作电压；热敏电阻与电阻从电源分压组成温度检测电路，同时为运放另一个输入端提供偏置；运放输出端与反相输入端之间跨接一个电容以抑制干扰信号和反馈电压中的交流纹波。温度检测放大电路输出端接电压比较器，电压比较器另一个输入端输入来自三角波发生器产生的三角波电压。电压比较器输出PWM信号至功率推动电路，功率推动电路输出端接直流风扇。在功率推动电路输出端与温度检测放大电路输入端之间有一个直流电压反馈电路，由有源低通滤波器、负反馈电阻以及限位二极管构成，其作用是把功率推动电路输出端的PWM脉冲转换成直流电压，并反馈回温度检测放大电路以稳定电路工作点和调整PWM脉冲占空比。直流电压反馈电路连接顺序：有源低通滤波器输入端接在功率推动电路输出端，有源低通滤波器输出端连接负反馈电阻和限位二极管，负反馈电阻和限位二极管呈并联状态，呈并联状态的负反馈电阻和限位二极管另一端连接温度检测放大电路接有温度检测电路的输入端。
高温检测报警电路建立在直流电压反馈型PWM温控调速电路基础之上，其电路以运放为基本检测元件，运放一个输入端接在温度检测放大电路接有温度检测电路和接有直流电压反馈电路的输入端，运放另一输入端设置高温报警预设电压。高温报警预设电压电路有二种结构视实际情况选择，一种是独立型设置电路，由若干电阻串联从电源分压获得分压电压，单独用于高温检测报警电路作报警预设电压；另一种是整合型设置电路，由若干电阻串联从电源分压获得分压电压，分别提供给温度检测放大电路作基准电压和高温检测报警电路作报警预设电压。
附图说明
图1是电路结构方框图。
图2是直流电压反馈型PWM温控调速电路图。
图3是功率推动电路输出端脉冲占空比与等效直流输出电压及温度关系图。
图4是具有多温度点高温检测报警功能调速电路图。
图5是高温检测报警电路原理分析之一图。
图6是高温检测报警电路原理分析之二图。
图7是高温检测报警电路原理分析之三图。
图8是用于高电压直流风扇调速报警电路图。
图9是图4、图8电路运行状态表。
具体实施方式
第一实施例：见说明书附图2，附图2是直流电压反馈型PWM温控调速电路图。运放A1、电阻R1、R2、R3、热敏电阻RT以及电容C1组成温度检测放大电路；R1、R2从电源分压为A1反相输入端提供偏置，这个偏置电压就是温度检测放大电路的基准电压，并由这个电压确定风扇运转的最低电压；热敏电阻RT与R3从电源分压组成温度检测电路，同时为A1同相输入端提供偏置；电容C1跨接在运放A1输出端与反相输入端之间以抑制干扰信号和反馈电压中的交流纹波；这一级放大电路处理的是直流信号。运放A2、电阻R6、R7、R8、R9及电容C2组成三角波发生器。运放A3用作电压比较器，其一个输入端输入温度检测放大电路送来的直流电压，另一个输入端输入三角波电压，输出端输出PWM脉冲至功率推动电路。电阻R5和三极管VT组成功率推动电路，功率推动电路输出端接直流风扇。功率推动电路输出端的PWM脉冲同时还送至直流电压反馈电路，直流电压反馈电路包括：有源低通滤波器、负反馈电阻及限位二极管；R10、C3及运放A4组成简单一阶有源低通滤波器滤除脉冲，在A4输出端得到一个比较干净的直流电压；A4输出端接负反馈电阻R4和限位二极管VD，R4、VD呈并联状态，R4和VD另一端接运放A1同相输入端。
脉冲占空比与等效直流输出电压的关系及工作点的计算：计算前需先确定温度t1、温度t2和最低电压Umin，见说明书附图3，图3是功率推动电路输出端脉冲占空比与等效直流输出电压及温度关系图。在温度低于t1时，调速电路输出端给风扇提供一个最小占空比min%的脉冲电压，等效为风扇的最低直流工作电压Umin，风扇以最低转速运转；最低电压Umin的确定参考风扇生产厂家给出的风扇最低启动电压确定。当t1＜t＜t2时，脉冲占空比和等效直流输出电压随温度变化，风扇变速运转。当t＞t2时，脉冲占空比100%，等效直流输出电压Umax，风扇全速运转。调速电路已经建立了一个正确的反馈环，输出端的脉冲已转变成直流电压反馈回温度检测放大电路，计算工作点只针对直流电压，不再去考虑占空比，电路是自恰的。
1.设置最低电压Umin，由R1、R2的分压比确定：Umin=VCC·R2/(R1+R2)－VF，式中：VF—二极管正向工作电压；得到分压比：R2/(R1+R2)=(Umin+VF)/VCC；如果选取R1=R2，大多数直流风扇都能正常启动。R1、R2确定后就确定了温度检测放大电路的基准电压VCC·R1（R1+R2），后面分析要用到。
2.设置变速运转起始工作点，对应t1点，选择RT、计算R3：变速运转起始点由RT与R3分压比确定。选择热敏电阻RT，从热敏电阻生产厂家提供的数据查找RT在温度t1时的阻值RTt1，代入下式：R3=RTt1·R1/R2；如果R1=R2，则R3=RTt1。
3.设置最高转速起始点，对应t2点，由负反馈电阻R4确定：从热敏电阻生产厂家提供的数据查找温度t1、温度t2时RT的阻值RTt1、RTt2；由下面实用公式确定R4：R4≈(1－Umin/VCC)RTta·R3/(RTt1－RTt2)，式中：RTta=(RTt1+RTt2)/2。经过简化的公式仍然复杂，给一个简单的估算公式：R4≈20R3/（t2-t1），热敏电阻的B值不一样其结果也不一样，实验一下再调整。
4.PWM频率问题和三角波发生器的计算：用PWM脉冲推动风扇，会产生一种特有的噪音，达到一个较高的频率，这种噪音就会消失。用数十个不同品牌、型号的直流风扇实验，在PWM频率达到4KHz时，有的风扇就没有了噪音；达到6、7KHz时，多数风扇噪音消失；有个别风扇，PWM频率达到10KHz以上噪音才消失。过高的PWM频率也有问题，频率越高，风扇的感抗越大，启动困难转速慢，功率推动管损耗增大。因此PWM频率在10-20KHz范围选择比较恰当。图2电路的三角波发生器是一个流行的三角波发生器，选择R7=R8=R9，则振荡频率f=1/2R6C2。
5.R10、C3的选择：R10、C3及A4组成简单一阶低通有源滤波器，选取较大的时间常数使滤波器的截止频率足够低，可以得到更好的滤波效果。但太大的时间常数容易引发超低频振荡，表现为风扇转速时快时慢，周期为数秒。时间常数宜小于30ms，如C3取值0.1μF，R10取值200K，由截止频率fp=1/2πRC，其截止频率为8Hz，按一阶滤波器每十倍频衰减20dB计算，能将10KHz的PWM脉冲电压抑制在-60dB以下。
6.电容C1的作用：如果没有C1，运放A1输入端有微小的交流干扰都会在输出端得到80dB以上的增益，经比较器调制进PWM脉冲中造成风扇噪声。C1跨在A1的反相输入端和输出端之间，高频交流信号增益为1，相当于这一级电路成了有源低通滤波器，运放同相输入端和反相输入端的干扰信号都能被抑制，另一个重要作用是抑制反馈电压中残存的交流纹波。C1可以选择0.1μF的容量。
从以上分析看出：本发明提出的直流电压反馈型PWM温控调速电路结构简单，无级变速，变速运转段所对应的温差(Δt=t2-t1)选择不受限制，工作点设置简易，风扇运转平稳噪声小。
第二实施例：见说明书附图4，附图4是具有多温度点高温检测报警功能调速电路图。报警电路由运放A5、运放A6、运放A7及周边元件组成。本发明提出的高温检测报警电路建立在全环路电压反馈型温控调速电路基础之上，包括直流调速电路和PWM调速电路。为了更容易理解，下面分几步对高温检测报警电路进行详细分析。
高温检测报警电路原理分析一：见说明书附图5；虚线右边是简化了的电路，以利于分析。由运放A1等元件组成的温度检测放大电路中，A1的反相输入端（B点）是放大电路基准电压VB=VCC·R1（R1+R2），A1的同相输入端（A点）接有温度检测电路和负反馈电路，有电压VA。运放A7用于检测高温报警温度，其同相输入端也接在A点，其反相输入端（C点）由电阻R11、R12从电源分压设置高温报警预设电压VC，并有VC＞VB。在温度低于t2时，负反馈电路起作用，A1工作于线性放大区，两个输入端电压相等，即：VA=VB。当温度超过t2，PWM脉冲占空比达到100%，功率推动管直流饱和，负反馈电路由于不能从输出端获取电压变量反馈回温度检测放大电路，因此负反馈失效。负反馈失效后，A1脱离放大区，VA不再等于VB，会随热敏电阻阻值减小而升高，当温度继续升高到使VA＞VC，运放A7输出翻转为高电平，发出高温报警信号。报警预设电压电路增加分压点并增加运放数量，可以实现多温度点报警。
这里得出结论：高温报警发生在风扇全速运转之后温度继续升高，并升高到设定值时。
高温检测报警电路原理分析二：见说明书附图6；高温报警预设电压电路与温度检测放大电路的基准电压设置电路整合在一起，可以简化电路。把计算好的R2分割成R2a、R2b，即R2a+R2b=R2，从R2a、R2b之间的C点引出一个电压VC作为高温报警预设电压。从电路结构上可以看出VC＞VB，R2a的阻值大小决定报警温度比t2高出多少。把R2分割成两个电阻后单个电阻阻值变小，小阻值电阻级差差值绝对值小，R2a容易选配，便于用普通电阻精细设置报警温度。为叙述方便，把这种结构称为整合型设置电路，前述单独设置报警预设电压的结构称为独立型设置电路。整合型设置电路有其优点，独立型设置电路也有设置简易、与基准电压设置互不干涉的长处，可根据具体情况选择。
高温检测报警电路原理分析三：见说明书附图7；附图7电路具有多温度点高温报警功能，报警预设电压采用整合型。运放A5、运放A6、运放A7的同相输入端都接在A点；把计算好的R2分割成4个电阻串联，R2=R2a+R2b+R2c+R2d；A5、A6、A7的反相输入端分别接在C、D、E分压点，对应的电压是VC、VD、VE。把多个运放都接在一个分压线路上，分压电阻阻值不宜过大，包括R1，还包括RT、R3。下面是多温度点报警原理和过程。
1.电阻R2a是一只10欧姆左右的小阻值电阻，使VC比VB稍高一点，当风扇进入全速运转，被检测温度比t2高出不到0.1℃，运放A5输出就会翻转成高电平，发光二极管VE1点亮，表示风扇已进入全速运转状态。平时观察这只发光二极管点亮的时间长短、频次，可以大致判断设备的发热与散热系统匹配情况。从这里看出整合型设置电路的作用，如采用独立型设置电路，两个电压就很难校准。有备用风扇的散热系统可以把R2a阻值取大一点，主风扇全速运转一段时间仍有温度上升趋势，运放A5翻转启动备用风扇，备用风扇不用调速。
2.温度继续上升达到第一高温th1时，A点电压达到预设电压VD，运放A6输出翻转成高电平，发出声光报警，警示系统散热能力不足或出现散热故障，例如积尘和风扇老化。
3.温度继续上升达到第二高温th2时，A点电压达到预设电压VE，运放A7输出翻转成高电平，VE3点亮，并输出FAULT信号关断系统，这个系统是指被散热的设备。
附图4电路就是采用了整合型设置电路、多温度点高温报警的方式。元件编号没有采用从左至右的排序方式，而是把分段叙述的排序照搬过来以便查对，其中R11、R12、R13、R14对应说明书附图7电路的R2a、R2b、R2c、R2d；排序缺号：R2。
第三实施例：见说明书附图8；该电路是用于高电压直流风扇调速报警电路图，这个电路供电分VCC1和VCC2，调速电路用12V供电，风扇用48V供电。用两只电阻把输出端的电压信号分压折算到直流电压反馈电路，折算比就是两只电阻的分压比：R20/(R20+R21)=VCC1/VCC2，计算工作点时按折算后数值代入前述公式。本例电路中选定的风扇最低工作电压Umin是22V，按折算比代入公式就是5.5V。配用其它电压值的高电压直流风扇只需改变分压比和选择合适的功率推动电路，低压部分可以通用，适合模块化。
直流电压反馈电路中采用了二阶有源低通滤波器，二阶低通滤波器以-40dB/十倍频速率衰减，有更好的滤波效果。
增设电位器RP与R3串联提供临时调整控制温度用，RP选用线性电位器，面板上做成刻度。电位器对报警温度的影响：调整RP对应的是t1，t2会同向联动，实际是调整附图3那条斜线段使其左右移动，斜率相对不变；第一高温预设温度th1、第二高温预设温度th2也会与t2同方向联动。调高控制温度，报警温度相应提高符合常理；一点调整多点联动，各个预设电压值不会出现交集。最低电压Umin是不会联动的，它只与R1、R2分压比相关，与R3不相关，不会发生调乱了后风扇不启动的情况，这恰恰是需要的。
附图8电路元件编号仍然照搬分段叙述排序的方式，新增电阻序号往后排，以便查对。排序缺号：R2。
说明书附图9是图4、图8电路运行状态表。
本发明公开了3个实施例电路，对工作原理进行了详细的分析，并提供了电路设置方法和计算公式，其用意在于使本领域任何技术人员都能理解并使用本发明。公开的实施例电路并非用于限制本发明的保护范围。
说明：本发明与发明申请号201410242561.2、实用新型申请号201420287203.9，名称《易于设置工作点的风扇温控调速电路》的专利申请存在技术关联，本发明涉及到的限位二极管和调速电路工作点设置原理请参见这两个申请。

Claims (5)

1.一种直流电压反馈型PWM温控调速电路，包括：由运放、运放偏置电路、热敏电阻、电容等元件组成温度检测放大电路；所述温度检测放大电路以运算放大器作放大器件，用电阻从电源分压，分压点接在运放的一个输入端为其提供偏置，这个偏置电压就是温度检测放大电路的基准电压，并由这个电压确定风扇最低工作电压；热敏电阻与电阻从电源分压组成温度检测电路，同时为运放另一个输入端提供偏置；运放输出端与反相输入端之间跨接一个电容以抑制干扰信号和反馈电压中的交流纹波；所述温度检测放大电路输出端接电压比较器，所述电压比较器另一个输入端输入来自三角波发生器产生的三角波电压；所述电压比较器输出PWM信号至功率推动电路，所述功率推动电路输出端接直流风扇；其特征在于：从所述功率推动电路输出端至所述温度检测放大电路输入端之间有一个直流电压反馈电路。
2.如权利要求1所述一种直流电压反馈型PWM温控调速电路，其特征在于：所述直流电压反馈电路由有源低通滤波器、负反馈电阻和限位二极管组成，其作用是把功率推动电路输出端的PWM脉冲转换成直流电压，并反馈回温度检测放大电路以稳定电路工作点和调整PWM脉冲占空比。
3.如权利要求2所述一种直流电压反馈型PWM温控调速电路，其特征在于：所述有源低通滤波器输入端接在所述功率推动电路输出端，所述有源低通滤波器输出端连接所述负反馈电阻和所述限位二极管，所述负反馈电阻和所述限位二极管呈并联状态，所述呈并联状态的负反馈电阻和限位二极管另一端连接所述温度检测放大电路接有温度检测电路的输入端。
4.一种基于直流电压反馈型PWM温控调速电路的高温检测报警电路，所述高温检测报警电路以运放为基本检测元件，其特征在于：所述运放一个输入端接在温度检测放大电路接有温度检测电路和接有直流电压反馈电路的输入端，所述运放另一个输入端连接高温报警预设电压电路。
5.如权利要求4所述一种基于直流电压反馈型PWM温控调速电路的高温检测报警电路，其特征在于：所述高温报警预设电压电路有二种结构视实际情况选择，一种是独立型设置电路，由若干电阻串联从电源分压获得分压电压，单独用于所述高温检测报警电路作报警预设电压；另一种是整合型设置电路，由若干电阻串联从电源分压获得分压电压，分别提供给所述温度检测放大电路作基准电压和所述高温检测报警电路作报警预设电压。
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