如何使用GreenPAK為PC風扇構建PWM控制器

本文介紹了如何使用DialogGreenPAK可配置混合信號IC構建12VPC風扇PWM控制器。該項目涉及旋轉編碼、PWM控制、PCB設計和C#應用程序編程。

該設計最多可控制16個3針電腦風扇，使用一對DialogGreenPAK可配置混合信號IC來控制每個風扇的占空比，并包括兩種改變風扇速度的方法：

帶有正交/旋轉編碼器和

使用Windows應用程序—內置于C#中，通過I2C與GreenPAK進行通信。

系統框圖

圖1.系統框圖

SLG46108旋轉解碼器設計

為了手動增加或減少風扇的占空比，我們使用了旋轉編碼器。該設備在相隔90°的通道A和通道B輸出上輸出脈沖。有關旋轉編碼器工作原理的更多信息，請參見AN-1101：非時鐘正交解碼器。

圖2.旋轉編碼器框圖

然后，我們使用DialogGreenPAKSLG46108創建了一個時鐘旋轉解碼器來處理通道A和通道B信號并將它們輸出為逆時針（CCW）和順時針（CW）脈沖。

當通道A領先于通道B時，設計會在CW上輸出一個短脈沖。當通道B超前通道A時，它在CCW上輸出一個短脈沖。

圖3.GreenPAKSLG46108旋轉解碼器設計

我們使用3個DFF將通道A輸入與時鐘同步。同樣，我們使用管道延遲，將OUT0設置為2個DFF，將OUT1設置為3個DFF，為通道B創建相同的功能。

然后，我們使用一些LUT來創建CW和CCW輸出。有關此標準旋轉解碼器設計的更多信息，請訪問此網站。

最后，GreenPAKRotaryDecoder將接收到下圖中的輸入脈沖A和B，并輸出如圖所示的CW和CCW脈沖。

圖4.旋轉信號時序圖

異或門之后的電路確保不會同時出現CW脈沖和CCW脈沖，以防旋轉編碼器出現錯誤。CW和CCW信號上的8ms下降沿延遲迫使它們在8ms加1個時鐘周期內保持高電平，這對于下游SLG46826GreenPAK是必需的。

SLG46826風扇控制器設計

圖5.GreenPAKSLG46826風扇控制器設計

使用偏移計數器生成PWM

為了生成PWM信號，我們使用了一對具有相同周期的偏移計數器。第一個計數器設置DFF，第二個計數器將其重置，從而創建一致的占空比PWM信號，如下所示。

圖6.PWM生成時序圖

圖7.使用偏移計數器生成PWM

CNT6設置DFF10，CNT1的反相輸出復位DFF10。引腳18和19用于將PWM信號輸出到外部電路。

具有時鐘注入和時鐘跳躍的占空比控制

風扇控制器接收來自旋轉解碼器的CW和CCW信號作為輸入，并使用它們來增加或減少控制風扇速度的PWM信號。我們通過幾個數字邏輯組件實現了這一點。

我們需要做的是使占空比在我們接收到CW脈沖時增加。我們可以通過向CNT6模塊注入一個額外的時鐘脈沖來實現這一點，使其比其他方式早一個時鐘周期輸出。您可以在下面的時序圖中看到此過程。

圖8.時鐘脈沖注入

CNT1仍以恒定速率獲得時鐘，但CNT6注入了幾個額外的時鐘。每當計數器有一個額外的時鐘時，它就會將其輸出向左移動一個時鐘周期。

相反，如果我們想降低占空比，我們需要為CNT6跳過一個時鐘脈沖。您可以在下圖中看到該過程，其中CNT1仍然以恒定速率獲得時鐘，而CNT6有跳過的時鐘脈沖，其中計數器沒有按預期獲得時鐘。這樣我們就可以將CNT6的輸出一次向右推一個時鐘周期，從而縮短輸出PWM占空比。

圖9.時鐘脈沖跳躍

我們使用GreenPAK中的一些數字邏輯元件實現了時鐘注入和時鐘跳躍功能。我們使用一對多功能塊來創建一對鎖存器/邊緣檢測器組合。4位LUT0用于在通用時鐘信號（CLK/8）和時鐘注入或時鐘跳躍信號之間進行復用。此功能將在第5.2.2節防止占空比翻轉中更詳細地描述。

按鈕輸入

BUTTON輸入去抖20ms，然后用于觸發一個鎖存器，該鎖存器將確定是否選擇了該特定芯片。如果選擇它，則4位LUT將傳遞時鐘跳躍或注入信號。如果未選擇芯片，則4位LUT將簡單地傳遞CLK/8信號。

圖10.時鐘跳躍和時鐘注入

防止占空比翻轉

RS鎖存器3位LUT5和3位LUT3用于確保您不能注入或跳過太多時鐘，以免偏移計數器翻轉。我們不想讓系統達到100%的占空比，然后如果它接收到另一個注入的時鐘，則翻轉到1%的占空比。

RS鎖存器通過在系統距離翻轉1個時鐘周期時鎖存多功能模塊的輸入來防止這種情況發生。我們使用一對DFF將PWM_SET和PWM_nRST信號延遲一個時鐘周期，如下圖所示。

圖11.BLOCK_CW和BLOCK_CCW

然后，我們使用一對LUT來創建必要的邏輯。如果我們的占空比太低以至于延遲的PWM_SET信號與PWM_nRST信號同時出現，我們不想進一步降低占空比，否則我們將翻轉。

圖12.最小占空比翻轉情況

同樣，如果我們正在接近最大占空比，從而延遲的PWM_nRST信號與PWM_SET信號同時出現，我們不想進一步增加占空比。在這種情況下，我們需要將nRST信號延遲2個時鐘周期，以確保系統不會從99%翻轉到1%。

圖13.最大占空比翻轉情況

具有I2C的占空比控制

該設計采用了另一種控制占空比的方法，而不是時鐘跳躍/時鐘注入。我們可以使用外部微控制器向GreenPAK寫入I2C命令，以編程方式設置占空比。

圖14.I2C占空比控制

如上圖中的紅色標簽所示，控制I2C上的占空比需要控制器執行特定的命令序列。這些命令在下表中按順序顯示?！皒”表示用戶不應更改的位，“［”表示START位，“］”表示STOP位。

表1.I2C命令

PDLY模塊在CLK/8信號的下降沿產生一個短的高電平有效脈沖，我們稱之為！CLK/8。該信號用于以穩定頻率為DFF14提供時鐘。當I2C_SET異步變高時，！CLK/8的下一個上升沿將導致DFF14輸出HIGH，這將觸發CNT5OneShot。OneShot將運行上表中“寫入CNT5”I2C命令中指定的用戶寫入的時鐘周期數。在這種情況下，它是10個時鐘周期。OneShot允許25MHz振蕩器準確運行其持續時間，并且不再讓3位LUT0接收用戶寫入CNT5的時鐘周期數。

下圖顯示了這些信號，其中紅色時鐘是發送到3位LUT0的信號，LUT0將它們傳遞到CNT6（PWM_SET計數器），從而為占空比生成創建偏移量。

圖15.使用I2C加載占空比（頻率不按比例）

轉速表讀數

如果需要，用戶可以讀取I2C上的轉速計值，通過讀取CNT2值來跟蹤風扇轉動的速度。CNT2將在每次ACMP0H出現上升沿時遞增，并且可以通過I2C命令異步復位。（請注意，這是一個可選功能，ACMP0H的閾值需要根據正在使用的特定風扇的規格進行調整。）

圖16.轉速計部分

表2.I2C命令

外部電路設計

圖17.風扇控制器框圖

外部電路相當簡單。有一個按鈕連接到GreenPAK的Pin6以切換是否選擇此特定設備進行旋轉控制，以及連接到Pin12和Pin13的LED以指示何時選擇設備。

由于風扇的電壓為12伏，因此我們需要一對FET來控制其開關。GreenPAK的Pin18和Pin19驅動一個nFET。當nFET開啟時，它將pFET的柵極拉低，將風扇連接到+12V。當nFET關閉時，PFET的柵極被1k電阻上拉，從而斷開風扇從+12v。

PCD設計

我們將幾塊PCB放在一起來對我們的設計進行原型設計。左側的PCB是“風扇控制器”，其中包含旋轉編碼器、12v插孔、SLG46108GreenPAK和FT232HUSB到I2C分線板的連接器。右側的兩個PCB是“風扇板”，其中包含SLG46826GreenPAK、按鈕、開關、LED和風扇接頭。

圖18.PCB和連接器

每個風扇板的左側都有一個帶罩的公頭，右側有一個母頭，因此它們可以菊花鏈式連接在一起。每個風扇板都可以填充資源以獨立控制2個風扇。

C#應用程序

我們編寫了一個C#應用程序來通過FT232HUSB-I2C橋接我們的風扇板。此應用程序可用于通過應用程序生成的I2C命令調整每個風扇的頻率。

圖19.C#應用程序GUI

應用程序將每秒對所有16個I2C地址執行一次ping操作，并使用存在的從地址填充GUI。在這種情況下，我們將風扇1（從地址0001）和風扇3（從地址0011）連接到電路板。用戶可以通過移動滑塊或在滑塊下方的文本框中輸入0-256的值來單獨調整每個風扇的占空比。

項目結論

在本文中，我們使用一些DialogGreenPAK可配置混合信號IC創建了一個功能齊全的12vPC風扇PWM控制器。通過我們的設計，我們能夠使用旋轉編碼器或C#應用程序獨立控制多達16個風扇（因為有16個可能的I2C從地址）。我們演示了如何使用一對偏移計數器生成PWM信號，以及如何在不翻轉的情況下增加和減少該信號的占空比。