基于SPD1148 單片機的車用有刷電機風扇控制器設計

王勤偉

（江蘇云意電氣股份有限公司，江蘇徐州，221000）

0 引言

汽車發動機作為汽車動力的核心，其性能的好壞將會直接影響到整個汽車的性能。發動機在工作過程中會產生大量的熱量，如果不及時散發出去，會導致發動機過熱，影響其工作性能和使用壽命。發動機冷卻系統在此起著關鍵作用。冷卻風扇是發動機冷卻系統必不可少的一個重要組件，風扇的選擇直接影響到主機冷卻系統的散熱效果、噪聲、燃油經濟性和發動機功耗等[1]。傳統發動機的冷卻系統中，風扇和水泵均是發動機通過皮帶以一定的傳動比驅動，這種風扇最大的問題就是不能通過發動機工況的變化調整風扇轉速，可能會導致發動機在低運轉高負荷情況下散熱不足，高轉速低負荷時又散熱過度，造成燃油經濟性降低又不能達到較好的散熱效果。后來出現的電子風扇不再通過發動機提供驅動力，而是利用電機帶動風扇，節省了發動機直接驅動冷卻風扇的能量損失，同時降低了發動機暖機時間[2]。目前汽車發動機常用的冷卻方式是先通過水泵將冷卻液經循環系統把發動機的熱量傳遞給散熱器，再由冷卻風扇將散熱器的熱量散發到大氣中。直流有刷電機具有啟動快、制動及時、可在大范圍內平滑地調速、控制電路相對簡單等特點，設計周期較短，因此在汽車冷卻風扇系統中大量使用。車輛ECU 收集發動機工況和冷卻水溫等信息，根據設定的控制策略通過風扇控制器來控制冷卻風扇工作。目前風扇控制器大多選用國外單片機，如微芯、英飛凌和艾爾默斯的單片機來作為MCU，成本較高。雖然國外芯片有著高性能，但國外芯片在市場供應和安全性上存在著一定的不確定性[3]，因此將國產芯片應用到電子風扇系統中具有很強的現實意義。

1 系統設計

本文以國產旋智SPD1148 單片機為核心，設計一種直流有刷風扇控制器。旋智SPD1148 是一款采用系統級封裝（SiP，System in a Package）的芯片，在一顆芯片內部集成有MCU、預驅模塊和電源管理模塊，供電電壓高達42V。MCU 部分內置32 位高性能ARM Cortex-M4 內核，最高200MHz 的軟件可編程時鐘頻率，64KB SRAM，128KB 嵌入式FLASH，豐富的增強型I/O 和外設資源。內置14 位ADC，3 路可編程增益運放，6 個增強型PWM 模塊，3 個通用32 位定時器以及UART，I2C，SPI 等通信接口，是電機控制應用的理想平臺。根據直流有刷風扇的應用需求，本系統共有BAT+端，BAT-端，PWM 端、IG 端和M 端等5 個端子，對風扇電機采用高邊驅動的方式。系統應用框圖如圖1 所示。

圖1 系統應用框圖

依據直流有刷風扇的性能需求，采用模塊化設計，整個系統包含電源線路，MCU 線路，電源輸入電壓采集線路、PWM 輸入及反饋線路和風機驅動電路。

1.1 電源線路

電源端線路如圖2 所示。電源端BAT+和BAT-接汽車電瓶正負極。TVS 管用于抑制發電機拋負載時可能產生的瞬態高壓。電容C4、C5、C6 用于濾波穩壓。本系統有電源防反接功能。電源正負極正常連接時，BAT+端電壓通過二極管D2 和電阻R6 使MOS 管Q3 導通，系統供電正常。當電源正負極反接時，MOS 管Q3 因其柵極電壓為0V 而關斷，系統無法正常供電，后級電路不會因電源反接而燒壞。穩壓管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 用于濾波穩壓。本系統設有IG 端。IG 端接車輛點火開關，只有當IG 上電（＞5.7V）時，IG 端電壓導通三極管T1，從而使P 溝道MOS管Q4 導通。BAT+端的電壓才會經MOS 管Q4 傳至后級電路。當IG 不上電時，MOS 管Q4 截至關斷。BAT+端將不會傳至后級電路。這樣在車輛熄火狀態下可以降低系統的漏電流，防止電瓶虧電。穩壓管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 用于濾波穩壓。電阻R8 用于抑制BAT+端高壓脈沖大電流，保護后級電路。

圖2 電源電路

1.2 MCU 線路

單片機SPD1148 可由5V~42V的輸入電壓供電，其余所有的電源，比如預驅的電源，MCU 3.3V 電源，MCU 1.2V 電源都可以通過內部電路由輸入電源產生，每一個電源域都有過壓/欠壓保護。SPD1148內部集成的電源管理模塊包括輸出3.3V 用于MCU 供電的降壓式開關電源。降壓式開關電源將輸入電源VBAT轉換至DVDD（典型值3.3V），用于為MCU 供電。開關電源不需要外接MOS 管或二極管，也不需要外接補償網絡，這樣的設計能夠減少成本和PCB 板面積。輸入電源電壓VBAT 高于4.56V 時開關電源開始工作，低于4.56V 時停止工作，典型的開關頻率是1.2MHz。SPD1148 的SW_BUCK 引腳為降壓式開關電源驅動點，電感值采用10μH，輸出電容采用10μF和0.1μF并聯，如圖3 所示。

圖3 MCU 線路

芯片XRSTn 引腳是芯片復位引腳，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生低電位給芯片復位。

SPD1148 啟動程序位于片上ROM。復位后，處理器從ROM 開始執行程序，可通過BOOT 引腳和TRSTn 引腳來選擇啟動模式。本系統啟動模式采用FLASH 啟動，BOOT 引腳通過電阻R14 接3.3V，TRSTn 引腳通過電阻R13 接3.3V，啟動加載器跳轉至嵌入式FLASH 并從地址0X1000 0000 開始執行。

1.3 電源輸入電壓采集線路

本電路用于采集系統輸入端電壓，用于系統過壓和欠壓判斷。線路圖如圖4 所示。SPD1148 的ADC 口的輸入電壓應小于3.3V。系統輸入端電壓通過電阻R33、R34 和電阻R36 分壓后經電阻R35 送至芯片ADC 口。電容C39 用于濾波。穩壓管ZD4 用于在系統電源輸入端出現異常高壓時穩定輸入單片機的電壓值，防止損壞單片機端口。D5 為鉗位二極管，用于鉗位系統可能出現的異常負壓，保護芯片。

圖4 電源輸入電壓采集線路

圖5 PWM 輸入及反饋線路

圖6 風機驅動電路

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 信號不能直接輸入到芯片引腳。本系統通過三極管T2 將輸入的PWM信號進行反相輸出。當PWM信號為低電位（＜1.5V）時，三極管T2 導通，3.3V 電壓通過三極管T2 輸出到芯片相應引腳（PWM_in）處理。當PWM 信號為高電位（＞1.8V）時，三極管T2 截止關斷，芯片對應引腳（PWM_in）由電阻R41 和R40 下拉到地，為低電位。電阻R37 和R38 為并聯上拉電阻，用于確保無PWM 信號輸入時，PWM 端為高電位，保證三極管T2 處于截止關斷狀態，防止后級電路誤動作。電阻R41 和電容C41 構成低通濾波器可對輸入芯片的信號進行限流和濾波。

本系統的PWM 端除了可以進行PWM 信號輸入外，還可以進行信號反饋。當系統出現過壓、欠壓或堵轉時，芯片的第13 腳（Fault_out）會輸出相應的信號驅動三極管T3，這樣PWM 端會產生對應的反饋信號。電阻R43 為限流電阻，用于防止在信號反饋時，PWM 端接高電壓燒毀三極管T3。

1.5 風機驅動電路

直流有刷電機的速度與施加給電機的電壓成正比。本系統中的驅動電路是通過控制器對直流有刷電機的供電電壓進行脈寬調制（PWM）。PWM 的優點是精度高，易于控制，運行穩定[4]。PWM 信號被用來產生平均電壓。電機的繞組可以看作一個低通濾波器，因此具有足夠頻率的PWM 信號將會在電機繞組中產生一個穩定的電流。平均電壓（Vaverage）、供電電壓（Vcc）和占空比（D）的關系可由以下公式給出：Vaverage=D·Vcc。轉速和占空比之間成正比關系。SPD1148 內部的預驅（Pre-Driver）模塊可提供3 組半橋預驅，電流驅動能力為1A，集成電荷泵使得輸出占空比能達到100%。PWM 信號的頻率需要重點考慮。頻率太低會導致電機轉速過低，噪音較大，并且對占空比變化的響應過慢。頻率太高，則會因開關設備的開關損耗而降低系統的效率。頻率通常在4 kHz~20 kHz 范圍內選擇。這個范圍足夠高，電機的噪音能夠得到衰減，并且此時MOS 管中的開關損耗也可以忽略。本系統PWM 頻率為16kHz。電阻R21 和二極管D3 與電阻R22 并聯使用，用于調整MOS 管Q1 的導通和關斷時間。控制器線路板線路電感和MOS 管內部電容之間形成一個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 管的寄生效應和開關速度。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斷，抗干擾性更強。電容C35 用于濾波。電阻R24 和電容C34 用作緩沖器，可以降低電機端的電壓峰值，降低振鈴效應。電阻R25、R27 和R28 構成分壓電路，用于采集電機的反電動勢電壓，采集后的電壓送至單片機ADC 口處理。穩壓管ZD5用于當電源端有異常高壓時穩壓防止損壞單片機。MOS 管Q2 用于剎車模式。單片機控制MOS 管Q2 導通后，電機兩端電壓迅速為OV，這樣會使風扇更快停轉。MOS 管Q2 內部的寄生二極管可用作風扇電機的續流二極管，保護MOS管免遭其關斷時電機反電動勢產生的電流尖峰破壞。

2 系統測試

為驗證整套系統設計的可行性，以及采集數據的穩定性和準確性，使用大功率直流電源，搭配信號發生器和轉速表對本系統進行測量驗證，風扇轉速與PWM 占空比之間的關系如圖7 所示。測試結果在預定范圍內。

圖7 風扇轉速與輸入PWM 占空比關系曲線圖

3 結語

本文提出了一種基于國產旋智SPD1148 單片機的直流有刷電子風扇方案。依據電子風扇的性能需求，通過模塊化的設計，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機驅動電路等外圍線路設計。經測試，結果符合預期。該直流有刷電子風扇控制器總成本低，具有很強的工程實用性，為電子風扇后續的相關開發和改進提供一定的參考。