GreenPAK製品は,大きな電力を消費するアプリケーション,例えば场效应晶体管を制御してモーターを駆動したりすること,例えば降圧DCDCコンバータから電源供給する構成などにも対応可能です。このアプリケーションノートでは,回転数のフィードバックをI2Cのインターフェースで行うことにより,閉ループの回転速度制御によるPWMファンコントローラをプログラマブルに実現しています。平均の誤差は2.5%未満,最大,最小誤差で15%未満となっています。これらの特性の精度に関しては,回転数が収束し安定するまでの時間と引き換えに改善可能です。

アプリケーション

3線式のファンの3線には,VDD,接地そしてタコメータの出力があります。

図 1.システムレベル構成

ファンを駆動するモーターはブラシレスで,5 v供給時約0.2の消費電流となります。本回路では,モーターの回転速度は入力電力に比例し,その電力はPch场效应晶体管を用いたパルス変調により供給されます。そのPch场效应晶体管のゲートは,図1に示すようにGreenPAKのPWM出力信号(端子18)により制御されます。脉宽调制出力は,ホール素子からの回転数フィードバックをもとに決められます。

ホールセンサーは,ファン内の2つのコイルの間に配置されており,ファンのタコメータの出力としてGreenPAKにフィードバックされます。ホールセンサーの信号の各エッジは,1回転に相当します。2つの回転の間隔の時間を計測することにより,回転速度を計算してモーターに加えるパワーを調整することができます。

図1に示すように,供給電圧はGreenPAKの動作電源電圧範囲内の5 vです。以下に示す回路は,ハイサイドに场效应晶体管,クランプダイオードとLCフィルターを有する直流-直流降圧回路です。

GreenPAKデザイン,ASMの状態

このデザインでは,ASM(非同期状態制御回路)の8つのすべての状態を使用します。状態には図2に示すようにラベルが付けられています。初期状態は,リセット状態です。リセット状態では,脉宽调制出力は低になっています。

慣性により,ファンは静的摩擦を乗り越えるまで動き始めません。そのための代表的なデューティー比は,30%です。

ASMがアクティブなとき,オーバードライブ状態に遷移します。その時,最大出力つまりデューティー比100%の状態を3秒間継続することができます。この最初のキックが静的摩擦を克服し,モーターが回転を始めるきっかけとなります。

そこから,次にPWM了の状態に遷移します。もし回転数が速すぎると,GreenPAKは自動的にPWM下来の状態に遷移します。ステートマシン(状態制御回路)は,PWM上上とPWMの間を継続的に行ったり来たりします。定常状態に行き着くと,行ったり来たりはより安定的になります。

RPM(回転数)に対する要求が高すぎたり,低すぎたりすると,GreenPAKの出力は最終的に100%になったり0%になったりします。そのため,PWMのデューティー比が反転しないように,出力を最大値停止高,あるいは最小値的停止低で止めるためのゲートが用意されています。これらの状態においては,PWMは強制的に高または低に固定されます。

“缓冲低”および缓冲高は,ASMの望まない遷移を防止するための,中間的な状態です。ステートマシンは,“停止低”と停止高的にエッジ検出セルを利用します。この時点で,もしPWMの方向が逆になると,最初の周期でエッジが発生します。もし,バッファの(中間的)状態が無いと,停止状態からもう一つの停止状態へと直ちに移行してしまいます。そのため,中間的なバッファ状態を使って,状態がループするのを防いでいます。

図 2.ASMステートマシン

図 3.RPM入力から周波数検出FSM0

GreenPAKデザイン,ASMの入力

図 4.ASMの入力

ASMへの主要な入力には,减少PWM的と增加PWM的の2つのインバータ経由の信号があります。これらの信号は図4にあるようにPWMのパルス幅を何時増加あるいは減少させるかを示します。“增加PWM”による遷移は,ASMをPWM下来からPWM了へと,また减少PWM的による遷移は,ASMをPWM了からPWM下来へと変化させます。

FSM0は,回転数(RPM)の周波数カウンターです。周波数検出モードにおいて,入力の2つのエッジの間隔時間を計測し,カウンターのデータと比較します。もし,間隔の方が長ければ,スピードが遅すぎると判断されます。もし,間隔の方が短ければ,スピードが速すぎることになります。FSM0の出力は,电源降圧レギュレータへの供給の加減を制御し,ファンの回路を駆動します。

FSM0は,両エッジの周波数検出器として設定されています。というのは,このアプリケーションに使用されるタコメータUS1881は,ラッチタイプのホールセンサーで,回転する毎にタコメータの出力がトグルされます。そのため,各エッジは立上りでも立下りでも,それぞれ360度の回転に対応しています。この例では,ターゲットとなる回転周期は40毫秒です。

図 5.FSM0の設定

エッジ検出器の入力は,セットおよびリセット信号の和をとったものです。オーバーラップを見ることで,デューティー比が100%または0%に達したかどうか分かります。エッジ検出の出力が,ASMを停止高的や停止低的に遷移させます。

一番最初のPWM出力のセットとリセットには,デフォルトでオーバーラップがあるため,中間的な状態を含むことで誤った遷移を防止しています。

セットリセットカウンターをシフトする

PWMデューティーサイクルは,CNT5 / DLY5とCNT6 / DLY6から出力されるセットリセット信号により制御されます。設定は図6に示す内容とほぼ同等です。

PWMデューティー比を増加,減少させるには,セットとリセット信号を相互にシフトさせます。図8のタイミングチャートにその様子を示します,現在の状態により,问/海底ブロック2つのうちの1つに余分なクロックが一発入力されます。これにより,出力は左にシフト(時間的に早く)します。セットがシフトすれば,PWMのデューティーサイクルは増加し,リセットがシフトすると減少します。これは図7に示すリセット及びセット信号により制御されます。

余分なクロックは50周期に一度発生します。この頻度により,機械的な動きが電気信号に追随できます。これはCNT4 / DLY4により設定される更新周期です。更新周期毎に,パイプディレイと2ビットルックアップテーブル2はパルスをひとつ発生して,3ビットルックアップテーブル0と1のIN0に入力します。通常のクロック源とXORをとれば,余分なパルスが発生されます。

GreenPAKデザイン,ASM出力

ASMの出力としては4本のみ使用します。“Shift_CNT6”とShift_CNT5は,SRカウンターのロジックに入力され,シフトの制御を行います。具体的には,どちらのカウンターが余分なクロックを受けるかを選択するのに用いられます。それは,PWMがどちらの方向に進んでいるかを示しています。

図 6.脉宽调制出力のセットおよびリセット

図 7.脉宽调制出力のセットおよびリセット

図 8.脉宽调制出力のセットおよびリセット

図9の出力テーブルにあるように,カウントアップ時にはセットとリセットはともに高であり,カウントダウン時にはともに低となっています。余分なクロックのカウントを止めるには,リセットとセットを反対にします。リセットを高にセットを低にすると,通常のクロックのみが選択されます。

図 9.ASM出力と出力の設定

“力0”と部队100は,PWMロジックが100%や0%に達して,SRラッチがマスクされたことを示します。“力0”は,停止低,缓冲低および重置状態のためにPFETを閉じます。“部队100”は停止高,缓冲高と超速状態のためにPFETをオープンにします。3ビットルックアップテーブル2はSRラッチです。

CNT6の出力がロジック1のとき,ラッチはセットされ,CNT5の出力がロジック1のとき,ラッチはリセットされます。3ビットルックアップテーブルは,SRラッチをゲートします。设置高がのとき,出力は高になり,设置低が高のとき,出力は低になります。両方の信号が同時に高になることはありません。両方の信号が低のとき,3ビットルックアップテーブル2の反転を使用します。

I2C

図 10.GreenPAKによるデザイン

回転数を変えるためには,I2Cを使ってFSM0のカウント値を書き換えます。ワードアドレスは,アドレス0 xc5と0 . xc6に配置されています。

下表1を参照して下さい。FSM0にカウント値0 xddを書き込むためのコマンドは,次のようになります。

例1:[0]表示就是xsa 0 0 xc5 xe0 0 x2e

例2:[0 0 0 x1f xc5 0 x40 xsa]

ここで,SAはスレーブアドレスを示します。

RPMからカウンターデータへの変換には,下記の式を参照下さい。

カウンターデータは,GreenPAKに内蔵された発振回路に依存します。このデザインでは,発振周波数は2 mhz / 8 = 250 khzが理想的です。RPM周波数25赫兹,周期40毫秒を得るには,カウンターデータを9998に設定します。

表 1.RPM I2C写の例

字地址	当前RPM/FSM0计数器值	示例1	示例2
0 xc5 0 . xc6	x10 0 x27	0 xe0 0 x2e	0 0 x40 x1f
小数	9998	11998	7998
期	40毫秒	48女士	32岁的女士
频率/ RPM	25赫兹	20.8赫兹	31.25赫兹
实际的频率	24.4赫兹	21.0赫兹	31.4赫兹
最小值	23.2赫兹	18.9赫兹	28.6赫兹
马克斯	27.8赫兹	22.8赫兹	34.4赫兹
圣开发。	478兆赫	385兆赫	520兆赫

実際の発振周波数の計測値は253 khzであり,結果として25 hzではなく25.3赫兹となります。

パーセント誤差は,上記3例について2.4%,1.0%および0.5%でした。デバイスの動作期間が長いほど,パーセント誤差の平均値は良い結果になります。誤差のうちの一部は発振周波数のトリミングによるもので,ここでは250 khzではなく253 khzに合わせ込まれます。PWMは,安定するまでしばらくの間増減を経ます。安定状態に達すると,状態制御回路は的PWM了とPWM下来的の間を行ったり来たりするため,平均値近辺でPWM出力にジッタを生じます。

このことにより,PWMの分解能によっては,周波数が平均値の辺りで最大値と最小値の間をジャンプすることになります。上記の例では,周波数の最大値と最小値のパーセント誤差は,最悪の場合15%になります。この誤差を減らすためには,CNT5とCNT6のカウント値を増加させることにより,各カウントによるPWMの増加のステップを小さくし,セトリング時間の増加と引き換えにより良い周波数制御を行います。

タイミング波形と機能

下に示す機能波形は,脉宽调制出力が安定してから時間が経過したときのものです。

安定状態では,ステートマシンはPWM増加からPWM減少にリズミカルに切り替わります。

回転数(RPM)の入力周波数は,11.4赫兹または88 msとなっています。しかしながら,ホールセンサー出力はラッチされるため,各エッジは一回転に相当します。FSM0は,両エッジを検出するように設定されています。従って,実際のRPM周波数は2倍の22.8赫兹または45女士となります。これは,FSM0のカウント値として設定された狙い値の40毫秒と近い値になっています。

通道1(黄色)- PIN#18 (PWM Out)

通道2(浅蓝色)- PIN#3 (RPM)

通道3(品红)-风扇输入电压

図 11.PWMファン駆動波形

図 12.PWMファン回路

図13はFSM0カウント値が12000に設定されたときの動作を現しています。ホールセンサーの周波数は9.42赫兹なので,RPMは18.84赫兹ということになります。

図 13.PWMファン駆動波形1

図14はFSM0カウント値が8000に設定されたときの様子を現しています。ホースセンサーの周波数は14.8赫兹のため,RPMは29.6赫兹となります。

図 14.PWMファン駆動波形2

回路

下図は,PWMファンの試作品のブレッドボードです。左側のブレッドボードには,インダクター,PFET,ダイオード,キャパシタを内蔵しています。GreenPAKのチップは,開発ツール評価ボード内にあります。

右側のブレッドボードは,GreenPAKの外部コネクタとホールセンサーを接続し,常時電源を供給されています。

下の最初の図では,PWM回路がディセーブルされているために,ファンが止まっています。2番麺の図では,PWM回路がイネーブル状態にあるため,ファンは回転しています。

結論

GreenPAKに内蔵された非同期状態制御回路の使い方の一例として,外部モーターのフィードバックループに入れてPWMにより回転速度を制御する方法をご紹介しました。ホールセンサーの出力を簡単にモニターするために,周波数検出機能を使用しています。そして,I2Cバスにより基準周波数を変更します。デジタル制御回路全体はGreenPAKチップに実装され,ASM(非同期制御回路)により簡単に変更が可能です。

図 15.停止状態のファン

図 16.動作中のファン

AN-1138调速PWM风扇电机控制器(日文)

参考資料

始めに