風扇控制方法介紹和原理解析

簡介

集成電路中的興趣一直在增長，用於控制個人計算機和其他電子設備中的冷卻風扇的速度。緊湊型電風扇價格便宜，半個多世紀以來一直用於冷卻電子設備。然而，近年來，使用這些風扇的技術已經顯著發展。本文將描述這種演變是如何以及為何發生的，並將為設計師提出一些有用的方法。

熱量的產生和消除

電子產品，特別是消費電子產品的趨勢是面向具有增強功能組合的小型產品。因此，許多電子元件被製成非常小的形狀因子。一個明顯的例子是筆記本電腦。薄型和「Lite」筆記本電腦顯著縮小，但其處理能力得到了保持或提高。這種趨勢的其他例子包括投影系統和機頂盒。除了明顯更小且尺寸越來越小之外，這些系統的共同之處還在於它們必須消散的熱量不會減少;經常增加！在筆記本電腦中，大部分熱量由處理器產生;在投影儀中，大部分熱量是由光源產生的。這種熱量需要安靜有效地消除。

最安靜的散熱方式是使用無源元件，如散熱片和熱管。然而，這些已經證明在許多流行的消費電子產品中是不夠的 - 並且它們也有些昂貴。一個很好的選擇是主動冷卻，將風扇引入系統以在機箱和發熱部件周圍產生氣流，有效地從系統中移除熱量。然而，風扇是噪音的來源。它也是系統中額外的功耗源 - 如果電池供電則是一個非常重要的考慮因素。風扇也是系統中的另一個機械組件，從可靠性的角度來看，它不是理想的解決方案。

速度控制 - 回答使用風扇的一些反對意見的方法 - 可以具備以下優勢：

1. 降低風扇速度可降低噪音它排出，
2. 運行風扇速度較慢可以降低功耗，
3. 運行風扇會降低其可靠性和使用壽命。

有許多不同類型的粉絲和控制它們的方法。我們將在這裡討論各種風扇類型以及當今使用的控制方法的優缺點。對風扇進行分類的一種方法是：

這裡討論的風扇控制方法包括：

風扇類型

2線風扇有電源和接地端子。 3線風扇具有電源，接地和轉速（「轉速」）輸出，可提供頻率與速度成比例的信號。 4線風扇具有電源，接地，轉速輸出和PWM驅動輸入。簡而言之，PWM使用一系列開關脈衝中的脈衝相對寬度來調節施加到電機的功率水平。

通過調節直流電壓來控制2線風扇或低頻PWM中的脈衝寬度。但是，僅使用兩根電線，就無法獲得轉速信號。這意味著沒有關於風扇運行速度的指示 - 或者實際上，它是否正在運行。這種形式的速度控制是開環。

3線風扇可以使用與2線相同類型的驅動器進行控制風扇可變直流或低頻PWM。 2線風扇和3線風扇之間的區別在於風扇的反饋可用於閉環速度控制。轉速信號指示風扇是否正在運行及其速度。

當由直流電壓驅動時，轉速信號的方波輸出非常類似於圖1中的「理想轉速」。它總是有效的，因為電源持續施加在風扇上。但是，對於低頻PWM，轉速信號僅在風扇通電時有效 - 即在脈衝 on 階段。當PWM驅動器切換到 off 階段時，風扇的內部轉速信號發生電路也會關閉。由於轉速輸出通常來自漏極開路，當PWM驅動器 off 時，它將浮動為高電平，如圖1所示。因此，理想的轉速表示風扇的實際速度，PWM驅動實際上「切斷」轉速信號輸出並可能產生錯誤的讀數。

為了確保在PWM控制下讀取正確的風扇速度，有必要定期將風扇打開足夠長的時間以獲得完整的轉速循環。此功能在許多ADI公司的風扇控制器中實現，例如ADM1031和ADT7460。

除電源，接地和轉速信號外， 4線風扇有一個PWM輸入，用於控制風扇的速度。不是將電源切換到整個風扇 on 和 off ，而是僅切換驅動線圈的電源，從而連續提供轉速信息。打開和關閉線圈會產生一些換向噪聲。以大於20 kHz的速率驅動線圈會將噪聲移動到可聽範圍之外，因此典型的PWM風扇驅動信號使用相當高的頻率（> 20 kHz）。 4線風扇的另一個優點是風扇速度可以控制在低至風扇全速的10％的速度。圖2顯示了3線和4線風扇電路之間的差異。

風扇控制

無控制：最簡單的風扇控制方法是不使用任何風扇控制;只需100％的時間全速運行適當容量的風扇。這樣做的主要優點是保證了故障安全冷卻和非常簡單的外部電路。但是，由於風扇始終處於開啟狀態，因此它的使用壽命會縮短，並且即使不需要冷卻也會使用恆定的功率。此外，它不間斷的噪音可能很煩人。

開/關控制：下一個最簡單的風扇控制方法是恆溫，或開/關控制。這種方法也很容易實現。風扇僅在需要冷卻時才會打開，並在剩餘的時間內關閉。用戶需要設置需要冷卻的條件 - 通常在溫度超過預設閾值時。

ADI公司的ADM1032是使用溫度設定值進行開/關風扇控制的理想傳感器。它有一個比較器，產生THERM輸出 - 通常高，但當溫度超過可編程閾值時，切換低。當溫度下降到低於THERM限值的預設量時，它會自動切換回高。此可編程遲滯的優點是，當溫度接近閾值時，風扇不會持續打開/關閉。圖3是使用ADM1032的電路示例。

開/關控制的缺點是它非常有限。當風扇在上切換時，它會立即以聽覺和煩人的方式旋轉到全速。因為人類很快就會習慣於風扇的聲音，所以它的切換 off 也非常明顯。 （可以將它與你廚房裡的冰箱進行比較。在關閉之前你沒有注意到它所產生的噪音。）從聲學的角度來看，開/關控制遠非最佳。

線性控制：在風扇控制的下一級，線性控制，施加到風扇的電壓是可變的。對於較低的速度（較少的冷卻和較安靜的操作），電壓降低，並且對於較高的速度，電壓增加。這種關係有局限性。例如，考慮一個12V風扇（額定最大電壓）。這種風扇可能需要至少7 V才能開始旋轉。當它開始旋轉時，它可能會在施加7 V時以全速的一半旋轉。由於需要克服慣性，啟動風扇所需的電壓高於使其保持旋轉所需的電壓。因此，當施加到風扇的電壓減小時，它可以以較慢的速度旋轉，直到例如4V，此時它將停轉。從製造商到製造商，從型號到型號，甚至從風扇到風扇，這些值都會有所不同。

ADI公司的ADM1028線性風扇控制IC具有可編程輸出和幾乎所有可能的功能在風扇控制中需要，包括能夠準確地連接到晶片上提供的溫度感應二極體，例如微處理器，這些晶片佔系統的大部分耗散。 （二極體的目的是提供關鍵結溫的快速指示，避免系統中固有的所有熱滯後。它可以根據晶片溫度的升高立即啟動冷卻。）為了保持使用的功率ADM1028至少採用3.0 V至5.5 V電源供電，+ 2.5 V滿量程輸出。

5 V風扇僅允許有限範圍的速度控制，因為它們的啟動電壓接近其5 V全速電平。但是ADM1028可以與12 V風扇一起使用，採用一個簡單的升壓放大器，其電路如圖4所示。

線性控制的主要優點是很安靜。但是，正如我們已經指出的那樣，速度控制範圍是有限的。例如，控制電壓範圍為7 V至12 V的12 V風扇可以以7 V的半速運行。使用5 V風扇時情況更糟。通常情況下，5V風扇需要施加3.5 V或4 V才能啟動，但在該電壓下，它們將以接近全速運行，速度控制範圍非常有限。但是，從效率的角度來看，使用如圖4所示的電路在12 V下運行遠非最佳。這是因為升壓電晶體耗散了相對較大的功率（當風扇工作在8 V時，電晶體上的4 V壓降不是很有效）。所需的外部電路也相對昂貴。

PWM控制：目前用於控制PC風扇速度的普遍方法是低頻PWM 控制 。在這種方法中，施加到風扇的電壓總是為零或滿量程 - 避免了在較低電壓下線性控制中遇到的問題。圖5顯示了ADT7460熱電壓控制器的PWM輸出使用的典型驅動電路。

這種驅動方法的主要優點是它簡單，便宜且高效，因為風扇完全 on 或完全 off 。

缺點是轉速信息被PWM驅動信號斬波，因為電源並不總是施加在風扇上。可以使用稱為脈衝展寬的技術檢索轉速信息 - 將風扇切換到足以收集轉速信息（可能增加可聽噪聲）。圖6顯示了脈衝展寬的情況。

低頻PWM的另一個缺點是換向噪聲。隨著風扇線圈持續接通和斷開，可能存在可聽見的噪音。為了應對這種噪音，最新的ADI公司風扇控制器設計用於驅動風扇，頻率為22.5 kHz，超出可聽範圍。外部控制電路使用高頻PWM更簡單，但只能與4線風扇一起使用。雖然這些粉絲對市場來說相對較新，但它們正在迅速變得更受歡迎。圖7描述了用於高頻PWM的電路。

PWM信號直接驅動風扇;驅動FET集成在風扇內部。減少外部元件數量，這種方法使外部電路更加簡單。由於PWM驅動信號直接應用於風扇的線圈，因此風扇的電子元件始終處於通電狀態，並且轉速信號始終可用。這消除了脈衝拉伸的需要 - 以及它可以產生的噪聲。換向噪聲也被消除或顯著減小，因為線圈的切換頻率超出可聽範圍。

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