基于SPD1148 單片機(jī)的車用有刷電機(jī)風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)

王勤偉

（江蘇云意電氣股份有限公司，江蘇徐州，221000）

0 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車動(dòng)力的核心，其性能的好壞將會(huì)直接影響到整個(gè)汽車的性能。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不及時(shí)散發(fā)出去，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，影響其工作性能和使用壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)在此起著關(guān)鍵作用。冷卻風(fēng)扇是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)必不可少的一個(gè)重要組件，風(fēng)扇的選擇直接影響到主機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱效果、噪聲、燃油經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動(dòng)機(jī)功耗等[1]。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)中，風(fēng)扇和水泵均是發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶以一定的傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)，這種風(fēng)扇最大的問題就是不能通過發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在低運(yùn)轉(zhuǎn)高負(fù)荷情況下散熱不足，高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)又散熱過度，造成燃油經(jīng)濟(jì)性降低又不能達(dá)到較好的散熱效果。后來出現(xiàn)的電子風(fēng)扇不再通過發(fā)動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，而是利用電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇，節(jié)省了發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇的能量損失，同時(shí)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間[2]。目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)常用的冷卻方式是先通過水泵將冷卻液經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)把發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量傳遞給散熱器，再由冷卻風(fēng)扇將散熱器的熱量散發(fā)到大氣中。直流有刷電機(jī)具有啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)周期較短，因此在汽車?yán)鋮s風(fēng)扇系統(tǒng)中大量使用。車輛ECU 收集發(fā)動(dòng)機(jī)工況和冷卻水溫等信息，根據(jù)設(shè)定的控制策略通過風(fēng)扇控制器來控制冷卻風(fēng)扇工作。目前風(fēng)扇控制器大多選用國(guó)外單片機(jī)，如微芯、英飛凌和艾爾默斯的單片機(jī)來作為MCU，成本較高。雖然國(guó)外芯片有著高性能，但國(guó)外芯片在市場(chǎng)供應(yīng)和安全性上存在著一定的不確定性[3]，因此將國(guó)產(chǎn)芯片應(yīng)用到電子風(fēng)扇系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以國(guó)產(chǎn)旋智SPD1148 單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一種直流有刷風(fēng)扇控制器。旋智SPD1148 是一款采用系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP，System in a Package）的芯片，在一顆芯片內(nèi)部集成有MCU、預(yù)驅(qū)模塊和電源管理模塊，供電電壓高達(dá)42V。MCU 部分內(nèi)置32 位高性能ARM Cortex-M4 內(nèi)核，最高200MHz 的軟件可編程時(shí)鐘頻率，64KB SRAM，128KB 嵌入式FLASH，豐富的增強(qiáng)型I/O 和外設(shè)資源。內(nèi)置14 位ADC，3 路可編程增益運(yùn)放，6 個(gè)增強(qiáng)型PWM 模塊，3 個(gè)通用32 位定時(shí)器以及UART，I2C，SPI 等通信接口，是電機(jī)控制應(yīng)用的理想平臺(tái)。根據(jù)直流有刷風(fēng)扇的應(yīng)用需求，本系統(tǒng)共有BAT+端，BAT-端，PWM 端、IG 端和M 端等5 個(gè)端子，對(duì)風(fēng)扇電機(jī)采用高邊驅(qū)動(dòng)的方式。系統(tǒng)應(yīng)用框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用框圖

依據(jù)直流有刷風(fēng)扇的性能需求，采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)包含電源線路，MCU 線路，電源輸入電壓采集線路、PWM 輸入及反饋線路和風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

1.1 電源線路

電源端線路如圖2 所示。電源端BAT+和BAT-接汽車電瓶正負(fù)極。TVS 管用于抑制發(fā)電機(jī)拋負(fù)載時(shí)可能產(chǎn)生的瞬態(tài)高壓。電容C4、C5、C6 用于濾波穩(wěn)壓。本系統(tǒng)有電源防反接功能。電源正負(fù)極正常連接時(shí)，BAT+端電壓通過二極管D2 和電阻R6 使MOS 管Q3 導(dǎo)通，系統(tǒng)供電正常。當(dāng)電源正負(fù)極反接時(shí)，MOS 管Q3 因其柵極電壓為0V 而關(guān)斷，系統(tǒng)無法正常供電，后級(jí)電路不會(huì)因電源反接而燒壞。穩(wěn)壓管ZD3 用于防止MOS 管Q3 的柵極電壓超過其最大閾值電壓。電感L1 與電解電容C8、C9、C10 用于濾波穩(wěn)壓。本系統(tǒng)設(shè)有IG 端。IG 端接車輛點(diǎn)火開關(guān)，只有當(dāng)IG 上電（＞5.7V）時(shí)，IG 端電壓導(dǎo)通三極管T1，從而使P 溝道MOS管Q4 導(dǎo)通。BAT+端的電壓才會(huì)經(jīng)MOS 管Q4 傳至后級(jí)電路。當(dāng)IG 不上電時(shí)，MOS 管Q4 截至關(guān)斷。BAT+端將不會(huì)傳至后級(jí)電路。這樣在車輛熄火狀態(tài)下可以降低系統(tǒng)的漏電流，防止電瓶虧電。穩(wěn)壓管ZD2 用于防止MOS 管Q4 的柵極電壓超過其最大閾值電壓。電解電容C12 用于濾波穩(wěn)壓。電阻R8 用于抑制BAT+端高壓脈沖大電流，保護(hù)后級(jí)電路。

圖2 電源電路

1.2 MCU 線路

單片機(jī)SPD1148 可由5V~42V的輸入電壓供電，其余所有的電源，比如預(yù)驅(qū)的電源，MCU 3.3V 電源，MCU 1.2V 電源都可以通過內(nèi)部電路由輸入電源產(chǎn)生，每一個(gè)電源域都有過壓/欠壓保護(hù)。SPD1148內(nèi)部集成的電源管理模塊包括輸出3.3V 用于MCU 供電的降壓式開關(guān)電源。降壓式開關(guān)電源將輸入電源VBAT轉(zhuǎn)換至DVDD（典型值3.3V），用于為MCU 供電。開關(guān)電源不需要外接MOS 管或二極管，也不需要外接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，這樣的設(shè)計(jì)能夠減少成本和PCB 板面積。輸入電源電壓VBAT 高于4.56V 時(shí)開關(guān)電源開始工作，低于4.56V 時(shí)停止工作，典型的開關(guān)頻率是1.2MHz。SPD1148 的SW_BUCK 引腳為降壓式開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，電感值采用10μH，輸出電容采用10μF和0.1μF并聯(lián)，如圖3 所示。

圖3 MCU 線路

芯片XRSTn 引腳是芯片復(fù)位引腳，低電平有效。3.3V 輸出電壓通過電阻R12 和電容C15 接地，利用上電瞬間，電容充電電壓不能突變產(chǎn)生低電位給芯片復(fù)位。

SPD1148 啟動(dòng)程序位于片上ROM。復(fù)位后，處理器從ROM 開始執(zhí)行程序，可通過BOOT 引腳和TRSTn 引腳來選擇啟動(dòng)模式。本系統(tǒng)啟動(dòng)模式采用FLASH 啟動(dòng)，BOOT 引腳通過電阻R14 接3.3V，TRSTn 引腳通過電阻R13 接3.3V，啟動(dòng)加載器跳轉(zhuǎn)至嵌入式FLASH 并從地址0X1000 0000 開始執(zhí)行。

1.3 電源輸入電壓采集線路

本電路用于采集系統(tǒng)輸入端電壓，用于系統(tǒng)過壓和欠壓判斷。線路圖如圖4 所示。SPD1148 的ADC 口的輸入電壓應(yīng)小于3.3V。系統(tǒng)輸入端電壓通過電阻R33、R34 和電阻R36 分壓后經(jīng)電阻R35 送至芯片ADC 口。電容C39 用于濾波。穩(wěn)壓管ZD4 用于在系統(tǒng)電源輸入端出現(xiàn)異常高壓時(shí)穩(wěn)定輸入單片機(jī)的電壓值，防止損壞單片機(jī)端口。D5 為鉗位二極管，用于鉗位系統(tǒng)可能出現(xiàn)的異常負(fù)壓，保護(hù)芯片。

圖4 電源輸入電壓采集線路

圖5 PWM 輸入及反饋線路

圖6 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1.4 PWM 輸入及反饋線路

由于芯片引腳輸入電壓值需低于3.3V，外部PWM 信號(hào)不能直接輸入到芯片引腳。本系統(tǒng)通過三極管T2 將輸入的PWM信號(hào)進(jìn)行反相輸出。當(dāng)PWM信號(hào)為低電位（＜1.5V）時(shí)，三極管T2 導(dǎo)通，3.3V 電壓通過三極管T2 輸出到芯片相應(yīng)引腳（PWM_in）處理。當(dāng)PWM 信號(hào)為高電位（＞1.8V）時(shí)，三極管T2 截止關(guān)斷，芯片對(duì)應(yīng)引腳（PWM_in）由電阻R41 和R40 下拉到地，為低電位。電阻R37 和R38 為并聯(lián)上拉電阻，用于確保無PWM 信號(hào)輸入時(shí)，PWM 端為高電位，保證三極管T2 處于截止關(guān)斷狀態(tài)，防止后級(jí)電路誤動(dòng)作。電阻R41 和電容C41 構(gòu)成低通濾波器可對(duì)輸入芯片的信號(hào)進(jìn)行限流和濾波。

本系統(tǒng)的PWM 端除了可以進(jìn)行PWM 信號(hào)輸入外，還可以進(jìn)行信號(hào)反饋。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、欠壓或堵轉(zhuǎn)時(shí)，芯片的第13 腳（Fault_out）會(huì)輸出相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管T3，這樣PWM 端會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的反饋信號(hào)。電阻R43 為限流電阻，用于防止在信號(hào)反饋時(shí)，PWM 端接高電壓燒毀三極管T3。

1.5 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

直流有刷電機(jī)的速度與施加給電機(jī)的電壓成正比。本系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電路是通過控制器對(duì)直流有刷電機(jī)的供電電壓進(jìn)行脈寬調(diào)制（PWM）。PWM 的優(yōu)點(diǎn)是精度高，易于控制，運(yùn)行穩(wěn)定[4]。PWM 信號(hào)被用來產(chǎn)生平均電壓。電機(jī)的繞組可以看作一個(gè)低通濾波器，因此具有足夠頻率的PWM 信號(hào)將會(huì)在電機(jī)繞組中產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電流。平均電壓（Vaverage）、供電電壓（Vcc）和占空比（D）的關(guān)系可由以下公式給出：Vaverage=D·Vcc。轉(zhuǎn)速和占空比之間成正比關(guān)系。SPD1148 內(nèi)部的預(yù)驅(qū)（Pre-Driver）模塊可提供3 組半橋預(yù)驅(qū)，電流驅(qū)動(dòng)能力為1A，集成電荷泵使得輸出占空比能達(dá)到100%。PWM 信號(hào)的頻率需要重點(diǎn)考慮。頻率太低會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過低，噪音較大，并且對(duì)占空比變化的響應(yīng)過慢。頻率太高，則會(huì)因開關(guān)設(shè)備的開關(guān)損耗而降低系統(tǒng)的效率。頻率通常在4 kHz~20 kHz 范圍內(nèi)選擇。這個(gè)范圍足夠高，電機(jī)的噪音能夠得到衰減，并且此時(shí)MOS 管中的開關(guān)損耗也可以忽略。本系統(tǒng)PWM 頻率為16kHz。電阻R21 和二極管D3 與電阻R22 并聯(lián)使用，用于調(diào)整MOS 管Q1 的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間?？刂破骶€路板線路電感和MOS 管內(nèi)部電容之間形成一個(gè)LC 振蕩器，電阻R22 和R21 可用于抑制線路板線路電感和MOS 管內(nèi)部電容之間的電位振蕩。電阻值取決于PCB 的布局情況，MOS 管的寄生效應(yīng)和開關(guān)速度。MOS 管柵極通過電阻R23 接地，保證MOS 管在有電磁干擾的情況下能夠可靠關(guān)斷，抗干擾性更強(qiáng)。電容C35 用于濾波。電阻R24 和電容C34 用作緩沖器，可以降低電機(jī)端的電壓峰值，降低振鈴效應(yīng)。電阻R25、R27 和R28 構(gòu)成分壓電路，用于采集電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)電壓，采集后的電壓送至單片機(jī)ADC 口處理。穩(wěn)壓管ZD5用于當(dāng)電源端有異常高壓時(shí)穩(wěn)壓防止損壞單片機(jī)。MOS 管Q2 用于剎車模式。單片機(jī)控制MOS 管Q2 導(dǎo)通后，電機(jī)兩端電壓迅速為OV，這樣會(huì)使風(fēng)扇更快停轉(zhuǎn)。MOS 管Q2 內(nèi)部的寄生二極管可用作風(fēng)扇電機(jī)的續(xù)流二極管，保護(hù)MOS管免遭其關(guān)斷時(shí)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流尖峰破壞。

2 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，以及采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，使用大功率直流電源，搭配信號(hào)發(fā)生器和轉(zhuǎn)速表對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與PWM 占空比之間的關(guān)系如圖7 所示。測(cè)試結(jié)果在預(yù)定范圍內(nèi)。

圖7 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與輸入PWM 占空比關(guān)系曲線圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于國(guó)產(chǎn)旋智SPD1148 單片機(jī)的直流有刷電子風(fēng)扇方案。依據(jù)電子風(fēng)扇的性能需求，通過模塊化的設(shè)計(jì)，完成了包含電源線路，MCU 線路，電源輸入電壓采集線路、PWM 輸入及反饋線路和風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等外圍線路設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，結(jié)果符合預(yù)期。該直流有刷電子風(fēng)扇控制器總成本低，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性，為電子風(fēng)扇后續(xù)的相關(guān)開發(fā)和改進(jìn)提供一定的參考。