text: Steuerungen für thermisches Management und Ventilatoren
  Lieber leise lüften
  20. Aug. 2012 | 17:50 Uhr
  Wenn passive Kühlung nicht mehr ausreicht, um Abwärme aus einem System abzuführen, setzen Entwickler meist auf Lüfter. Ob und wie schnell diese Ventilatoren drehen müssen, hängt aber von vielen Parametern ab: Eine intelligente Steuerung wälzt nur so viel Luft um wie nötig. Entsprechend aufwändig kann die Lüftersteuerung sein.
  20. Aug. 2012 | 17:50 Uhr | von James Davis
  Für das thermische Management in einem elektronischen System sind heute viele Komponenten nötig: Mikrocontroller erzeugen das PWM-Signal für den Lüfter, eventuell weitere MCUs messen die Temperatur und kommunizieren sie an den Host-Anwendungsprozessor (CPU, FPGA oder ASIC), der sich wiederum um das Drehzahlmanagement des Lüfters kümmert. Große Geräte wie gehäusebasierte Kommunikationssysteme brauchen typischerweise ein sehr komplexes thermisches Management, entsprechend viele unabhängige Komponenten sind dort verbaut. Bei sehr kleinen Produkten bestehen die Lösungen zwar auch aus zahlreichen separaten Komponenten, sie sind jedoch viel weniger komplex. In beiden Fällen bietet es sich an, die Komponenten zu integrieren – etwa in einer programmierbaren System-on-Chip-Lösung wie der PSoC-Technologie von Cypress.
  Unbegrenzte Sensorschnittstellen
  Gerade bei sehr leistungsstarken Systemen ist das thermische Management eine große Herausforderung. Zunächst gilt es, per Temperaturmessung die tatsächlichen Bedingungen zu ermitteln. Dazu stehen analoge oder digitale Temperaturfühler zur Auswahl, bei beiden Sensortypen gibt es hochwertige und einfache Ausführungen. Die Entscheidung, ob das System ±0,1 °C Genauigkeit braucht oder ob die üblichen ±1 °C ausreichen, hängt von der Größe, den Abständen und Kosten ab.
  Ein System für intelligentes Lüftermanagement braucht viele Analog-Eingänge für die Temperatursensoren und die Tachosignale von den Ventilatoren, zudem PWM-Ausgänge für die Lüftersteuerung, Kommunikations-Ports, schnelle Signalverarbeitung – am besten direkt in Hardware – sowie einen Mikrocontroller, der alles steuert und mit speziellen Algorithmen Defekte erkennt. Ein PSoC-Baustein besitzt all diese Eigenschaften und Cypress liefert auch passende IP-Blöcke mit.
  Eine Diode oder ein Transistor sind die preiswertesten und kleinsten Temperaturfühler. Der wichtigste Faktor ist hier die Entfernung zwischen der Diode und dem AD-Wandler, da es sich hier um Mikrovolt handelt. Der beliebteste digitale Temperaturfühler ist der I2C-Frontend-Temperatursensor – er integriert ADC, Dioden-Temperatursensor und I2C-Schnittstelle. Digitale Sensoren eignen sich zwar hervorragend für Messungen über lange Entfernungen, jedoch kosten sie auch erheblich mehr als simple Dioden. Eine weitere Möglichkeit sind Thermoelemente – die eignen sich für die Messung der Umgebungstemperatur, für Thermistore, digitale Temperaturfühler auf PWM-Grundlage und viele andere Formen und Typen.
  Mit einem PSoC können Entwickler beliebige Temperaturfühler ankoppeln, und dank der hohen Schnittstellenzahl sogar deutlich mehr Sensoren einsetzen als bei derzeit erhältlichen Mikrocontrollern. Dank dem in der Folge besseren Bild der thermischen Bedingungen lassen sich Position, Geschwindigkeit und Algorithmen des Lüfters so optimieren, dass Endsystemkosten, Stromverbrauch und Störgeräusche sinken.
  Für die Steuerung von 3- und 4-Wire-Fans ist ein PWM-Signal nötig, dessen Tastverhältnis die aktuelle Lüfterdrehzahl bestimmt. Typischerweise nutzen Systeme mit wenigen Lüftern (etwa bis zu vier Stück) Mikrocontroller mit integrierter PWM-Peripherie. Wenn mehr Lüfter nötig sind als der Controller PWM-Ausgänge hat, dann müssen einzelne Schnittstellen mehrere Lüfter steuern. Das funktioniert auch und entsprach bisher dem Standard in Sachen Lüftersteuerung, allerdings wären bei Einzelansteuerung weitere Optimierungen möglich. Zudem gibt jeder Lüfter ein Tachometersignal aus, das – mit einem Timer oder Zähler gekoppelt – die tatsächliche Drehzahl anzeigt. Während die exakte Drehzahl eines Lüfters meist nicht so wichtig ist, wird dieses Signal entscheidend, um Lüfterunterbrechungen oder Rotorausfälle zu erkennen.
  Programmierbare SoC-Lösungen umgehen diese Einschränkungen. Entwickler können damit eine hardware-/logikbasierte Closed-Loop-Drehzahlsteuerung implementieren und die Drehzahl jedes einzelnen Lüfters optimieren. Das senkt die Störgeräusche und den Energieverbrauch. Außerdem können vorausschauende Algorithmen einen Lüfterausfall und die Lüfteralterung vorausberechnen. Sie nutzen dazu historische Analysen zum PWM-Tastverhältnis und zur tatsächlichen Drehzahl.
  Eine Hardware- oder logikbasierte Closed-Loop-Drehzahlsteuerung basiert üblicherweise auf programmierbarer Logik, die einen PWM-Peripherieblock einbindet und die Tachosignale des Lüfters in einem zentralen Zählerblock bündelt. Ein Firmware-Befehl genügt dann, um das Tastverhältnis jedes Lüfters festzulegen. Das Kommando kann von der MCU-Firmware stammen, die die einzelnen Lüfter steuert. In den meisten Fällen wird das Kommando aber gar nicht genutzt. Stattdessen verbringt so mancher Designingenieur mehrere Wochen mit der Charakterisierung des Zusammenhangs von Tastverhältnis zu Lüfterdrehzahlen und kümmert sich dann nur noch um das Tastverhältnis. Diese mühsame Charakterisierung muss er für jede Applikation und jede Architektur von Neuem ausführen.
  Bei einer PSoC-Lösung kann jeder PWM genau einen Lüfter steuern, während die Zählfunktion gemeinsam genutzt wird. Eine intelligente Tachometerfunktion kann zusätzlich die Drehzahl ermitteln und die PWM-Tastverhältnisse für jede der PWM-Funktionalitäten eigenständig regeln, um die gewünschte Drehzahl beizubehalten. Mit dieser Implementierung sind Funktionen machbar, die mit MCUs allein nicht möglich waren, beispielsweise eine hochgenaue Drehzahlsteuerung, die Störgeräusche und Energieverbrauch minimiert. Vorausschauende Algorithmen können zudem Lüfterausfälle und -alterung erkennen.
  Die Drehzahl exakt einhalten
  Lüfter sind notorisch ungenau: Ihre Drehzahl weicht in der Regel um ±10 % von der PWM-Vorgabe ab. Mit einem hardwaregesteuerten Closed-Loop-System sind Drehzahlgenauigkeiten von 1 % erreichbar, und das ohne hohe Latenzen, die zu akustisch unangenehmen Lüfterschwingungen führen würden. Allerdings reagieren Lüfter relativ langsam auf Änderungen des PWM-Tastverhältnisses. Um Unter- und Überschwingungen zu minimieren, die ein schnelles System verursachen könnte, sollte man einen Dämpfungsfaktor einführen.
  Bild 1: Diese intelligente Komponente stellt eine umfassende Lüftersteuerung auf PSoC-Basis bereit.Cypress
  Cypress hat eine intelligente Lüftersteuerungskomponente und eine Applikationsschrift zur Verwendung mit seinen PSoC-Bausteinen und der PSoC-Creator-Software entwickelt. Um die vorgefertigte Komponente individuell anzupassen, muss der Ingenieur nur die Parameter seiner Systemebene einsetzen, etwa Dämpfungsfaktor, Toleranz oder Steuerungsart (siehe Bild 1 unten).
  MCU inklusive
  Da das PSoC neben der programmierbaren Logik auch eine Hardware-MCU enthält, lassen sich vorausschauende Algorithmen zur Fehlererkennung recht einfach implementieren. Die Logik-Blöcke kümmern sich um die Lüftersteuerung, sie erkennen die gewünschten Lüfterdrehzahlen sowie das erforderliche Tastverhältnis. Ein Algorithmus, der im Hintergrund auf der MCU läuft, beobachtet die Taktverhältnistendenz über die Zeit hinweg und erkennt ein abnormes Ansteigen oder Abnehmen des Werts.
  Ein abnehmendes Taktverhältnis ist ein frühzeitiger Indikator für eine Verstopfung des Luftfilters oder an einer anderen Stelle. Dies beeinträchtigt den Luftstrom und den Luftwiderstand, weshalb weniger Energie benötigt wird, um den Lüfter anzutreiben und die gleiche Drehzahl aufrechtzuerhalten. Ein ansteigendes Taktverhältnis weist hingegen auf einen mechanischen Lüfterdefekt hin, der eine erhöhte Stromzufuhr an den Lüfter erfordert, um die gleiche Drehzahl aufrecht zu erhalten. Beide Funktionen sind nur in Closed-Loop-Systemen möglich, weil nur hier die Kombination aus Taktverhältnis und Drehzahl zur Verfügung steht.
  Bild 2: Die PSoC-Creator-Komponente zum thermischen Management abstrahiert viele physikalische Details.Cypress
  Umfassendes thermisches Management
  Durch die Kombination eines umfassenden analogen Sets von Peripheriegeräten, programmierbarer Logik und einer integrierten MCU kann das PSoC alle Funktionen, einschließlich der vorausschauenden Lüfterausfall-Algorithmen, in einem einzigen Bauteil vereinen. Nebenbei entlastet das PSoC den Host-Anwendungsprozessor von den Aufgaben des thermischen Managements. Auf dieser Basis sind auch sehr komplexe thermische Managementsysteme realisierbar. Ein Softwaretool könnte dazu die systemnahen Details abstrahieren und adäquate Parameter- und Einstellungsarten (Bild 2) für die PSoC-Komponente ausgeben. Ein einzelner Baustein ersetzt dann komplexe, diskrete Lösungen – was vor allem Platz auf der Baugruppe sparen und die Bill of Materials senken kann.