Buck风扇驱动电路的工作原理

应用电子电路

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描述

传统的风扇驱动电路采用三极管直接降压方式,将电压差直接损耗在三极管上,这种方式具有直流驱动、电压波动小等优点,但是效率低。如输出风扇电压为9V,输入VCC_FAN为14.5V,则效率为9V/14.5V=62%,而Buck电路能够将效率提高到90%以上,FAN损耗大大降低,有助于提高模块的整机效率。

三极管

图1 主电路原理图

很多人对上图中的Buck circuit电路很疑惑,为什么是这种形式呢?跟传统的Buck电路不一样啊?传统的Buck电路及两种模态的工作过程如下:

三极管

传统的Buck电路

三极管

传统的Buck电路两种模态的工作过程

相比于传统电路,我们的更改为:

① 开关管Q由正母线挪至负母线;

② 续流电感由正母线挪至负母线。

为什么要这样更改呢?首先,如果采用传统的Buck电路,则存在如下问题:

① 开关管由于在正母线,因此驱动需要采用浮驱技术,驱动电路更复杂;

② 在Buck工作过程中,电感始终处于充电、放电状态,因此,其两端的电压始终是变化的:开关管导通充电时,VL=Vin-Vo;开关管断开,电感开始续流时,VL=Vo。因此,电感两端的电压在一个周期始终处于两种电压状态切换中(CCM态下)。由此,输出电容两端的电压也会跟着相应的变化,尽管电容两端的电压差保持稳定,但这样带来了电压采样麻烦和电容输出电压纹波增加的风险,较大的纹波可能会对风扇的寿命产生极大的影响。

采用我们优化后的新电路,则可以轻松解决以上两个问题:

① 开关管对地驱动,驱动电路简单;

② Buck电感置于负母线,输出电容两端电压均是稳定电平(电容电压作为被控对象,电压稳定),便于采样和减小输出电压纹波;

③ 而且,其两种工作模态跟老Buck电路一样,电路功能一样,两种工作模态如下:

三极管

由于输出风扇电压是浮地的,因此,采样电路需要浮采或差分采样。在我们的电路里,我们采用了对地差分采样,即电容两端的电压分别对AGND采样,然后再作差分,即可得电容电压。由于电容正电压为VCC_FAN,而我们的VCC_FAN作为辅助电源的被控电压,稳定的保持在14.5V,因此,不需要对该电压进行采样,只需要对电容负电压FANGND进行采样即可,最终通过后台软件计算出风扇电压Vfan=14.5V-FANGND即可。

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