為什么以及如何控制冷卻電子設(shè)備的風(fēng)扇速度

人們對用于控制個人計算機和其他電子設(shè)備中冷卻風(fēng)扇速度的集成電路的興趣日益濃厚。緊湊型電風(fēng)扇價格便宜，用于冷卻電子設(shè)備已有半個多世紀(jì)的歷史。然而，近年來，使用這些風(fēng)扇的技術(shù)已經(jīng)有了顯著的發(fā)展。本文將描述這種演變是如何以及為什么發(fā)生的，并將為設(shè)計人員提供一些有用的方法。

發(fā)熱和散熱

電子產(chǎn)品，尤其是消費電子產(chǎn)品的趨勢是向具有增強功能組合的小型產(chǎn)品發(fā)展。因此，許多電子元件被硬塞進非常小的外形尺寸中。一個明顯的例子是筆記本電腦。薄型和“精簡型”筆記本電腦大幅萎縮，但其處理能力卻得以保持或提高。這種趨勢的其他例子包括投影系統(tǒng)和機頂盒。這些系統(tǒng)的共同點是，除了尺寸明顯更?。ú⑶胰栽诳s小）之外，它們必須散發(fā)的熱量不會減少;經(jīng)常增加！在筆記本電腦中，大部分熱量是由處理器產(chǎn)生的;在投影儀中，大部分熱量是由光源產(chǎn)生的。這種熱量需要安靜有效地去除。

最安靜的散熱方法是使用散熱器和熱管等無源元件。然而，事實證明，這些在許多流行的消費電子產(chǎn)品中是不夠的，而且它們也有些昂貴。一個好的替代方案是主動冷卻，將風(fēng)扇引入系統(tǒng)以在機箱和發(fā)熱組件周圍產(chǎn)生氣流，從而有效地從系統(tǒng)中去除熱量。但是，風(fēng)扇是噪音源。它也是系統(tǒng)中的另一個功耗來源——如果要由電池供電，這是一個非常重要的考慮因素。風(fēng)扇也是系統(tǒng)中的另一個機械組件，從可靠性的角度來看，這不是一個理想的解決方案。

速度控制 - 回答使用風(fēng)扇的一些異議的一種方法 - 可以具有以下優(yōu)點：

運行風(fēng)扇的速度較慢會降低其發(fā)出的噪音，

運行風(fēng)扇的速度較慢可以減少其消耗的功率，

運行風(fēng)扇的速度較慢可提高其可靠性和使用壽命。

有許多不同類型的風(fēng)扇和控制它們的方法。我們將在這里討論各種風(fēng)扇類型以及當(dāng)今使用的控制方法的優(yōu)缺點。對風(fēng)扇進行分類的一種方法是：

2線風(fēng)扇

3線風(fēng)扇

4 線風(fēng)扇。

這里要討論的風(fēng)扇控制方法包括：

無風(fēng)扇控制

開/關(guān)控制

線性（連續(xù)直流）控制

低頻脈寬調(diào)制 （PWM）

高頻風(fēng)扇控制。

風(fēng)扇類型

2 線風(fēng)扇具有電源和接地端子。3 線風(fēng)扇具有電源、接地和轉(zhuǎn)速（“轉(zhuǎn)速”）輸出，可提供頻率與速度成比例的信號。4 線風(fēng)扇具有電源、接地、轉(zhuǎn)速輸出和 PWM 驅(qū)動輸入。簡而言之，PWM使用一系列開關(guān)脈沖中脈沖的相對寬度來調(diào)整施加到電機的功率水平。

2線風(fēng)扇通過調(diào)節(jié)低頻PWM中的直流電壓或脈沖寬度來控制。然而，只有兩根電線，轉(zhuǎn)速信號并不容易獲得。這意味著沒有跡象表明風(fēng)扇的運行速度有多快，或者實際上，它是否正在運行。這種形式的速度控制是開環(huán)的。

可以使用與 3 線風(fēng)扇相同的驅(qū)動器來控制 2 線風(fēng)扇 - 可變直流或低頻 PWM。2 線風(fēng)扇和 3 線風(fēng)扇之間的區(qū)別在于風(fēng)扇反饋的可用性，用于閉環(huán)速度控制。轉(zhuǎn)速信號指示風(fēng)扇是否正在運行及其速度。

當(dāng)轉(zhuǎn)速信號由直流電壓驅(qū)動時，其方波輸出與圖1中的“理想轉(zhuǎn)速”非常相似。它始終有效，因為電源不斷施加到風(fēng)扇上。然而，對于低頻PWM，轉(zhuǎn)速信號僅在風(fēng)扇通電時有效，即在脈沖的導(dǎo)通階段。當(dāng)PWM驅(qū)動器切換到關(guān)閉階段時，風(fēng)扇的內(nèi)部轉(zhuǎn)速信號生成電路也會關(guān)閉。由于轉(zhuǎn)速輸出通常來自漏極開路，因此當(dāng)PWM驅(qū)動器關(guān)閉時，轉(zhuǎn)速輸出將浮高電平，如圖1所示。因此，雖然理想的轉(zhuǎn)速代表風(fēng)扇的實際速度，但PWM驅(qū)動器實際上“斬波”了轉(zhuǎn)速信號輸出，并可能產(chǎn)生錯誤的讀數(shù)。

圖1.3 線風(fēng)扇中的轉(zhuǎn)速計輸出波形 — 理想且在 PWM 控制下。

為了確保在PWM控制下獲得正確的風(fēng)扇速度讀數(shù)，有必要定期打開風(fēng)扇足夠長的時間以獲得完整的轉(zhuǎn)速周期。ADI公司的許多風(fēng)扇控制器（如ADM1031和ADT7460）都實現(xiàn)了這一特性。

除了電源、接地和轉(zhuǎn)速信號外，4線風(fēng)扇還有一個PWM輸入，用于控制風(fēng)扇的速度。不是打開和關(guān)閉整個風(fēng)扇的電源，而是僅切換驅(qū)動線圈的電源，從而使轉(zhuǎn)速信息連續(xù)可用。打開和關(guān)閉線圈會產(chǎn)生一些換向噪聲。以大于20 kHz的速率驅(qū)動線圈會將噪聲移出可聽范圍，因此典型的PWM風(fēng)扇驅(qū)動信號使用相當(dāng)高的頻率（>20 kHz）。4線風(fēng)扇的另一個優(yōu)點是風(fēng)扇速度可以控制在低至風(fēng)扇全速10%的速度下。圖 2 顯示了 3 線和 4 線風(fēng)扇電路之間的差異。

圖2.3 線和 4 線風(fēng)扇。

風(fēng)扇控制

無控制：最簡單的風(fēng)扇控制方法是根本不使用任何控制;只需在 100% 的時間內(nèi)全速運行適當(dāng)容量的風(fēng)扇即可。其主要優(yōu)點是保證故障安全冷卻和非常簡單的外部電路。但是，由于風(fēng)扇始終處于打開狀態(tài)，因此其使用壽命會縮短，并且即使不需要冷卻，也會使用恒定的功率。此外，它不斷的噪音可能會很煩人。

開/關(guān)控制：風(fēng)扇控制的下一個最簡單的方法是恒溫或開/關(guān)控制。這種方法也很容易實現(xiàn)。風(fēng)扇僅在需要冷卻時才打開，其余時間關(guān)閉。用戶需要設(shè)置需要冷卻的條件，通常是當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)閾值時。

ADI公司的ADM1032是利用溫度設(shè)定點進行開/關(guān)風(fēng)扇控制的理想傳感器。它有一個比較器，可產(chǎn)生THERM輸出，該輸出通常為高電平，但在溫度超過可編程閾值時切換為低電平。當(dāng)溫度降至預(yù)設(shè)量低于 THERM 限值時，它會自動切換回高電平。這種可編程遲滯的優(yōu)點是，當(dāng)溫度接近閾值時，風(fēng)扇不會連續(xù)打開/關(guān)閉。圖3是使用ADM1032的電路示例。

圖3.開/關(guān)控制電路示例。

開/關(guān)控制的缺點是它非常有限。當(dāng)風(fēng)扇打開時，它會立即以可聽且煩人的方式全速旋轉(zhuǎn)。因為人類很快就習(xí)慣了風(fēng)扇的聲音，所以它的關(guān)閉也非常明顯。（它可以與廚房里的冰箱進行比較。直到它關(guān)閉，你才注意到它發(fā)出的噪音。因此，從聲學(xué)角度來看，開/關(guān)控制遠非最佳。

線性控制：在風(fēng)扇控制的下一級，線性控制，施加到風(fēng)扇的電壓是可變的。對于較低的速度（較少的冷卻和更安靜的運行），電壓降低，對于較高的速度，電壓增加。這種關(guān)系有局限性。例如，考慮一個 12V 風(fēng)扇（額定最大電壓）。這樣的風(fēng)扇可能需要至少 7 V 才能開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它開始旋轉(zhuǎn)時，它可能會以大約一半的全速旋轉(zhuǎn)，并施加 7 V。由于需要克服慣性，啟動風(fēng)扇所需的電壓高于保持風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)所需的電壓。因此，隨著施加到風(fēng)扇的電壓降低，它可能會以較慢的速度旋轉(zhuǎn)，直到 4 V，此時它將停止。這些值會因制造商而異，因型號而異，甚至因風(fēng)扇而異。

ADI公司的線性風(fēng)扇控制ICADM1028具有可編程輸出和風(fēng)扇控制可能需要的幾乎所有功能，包括能夠精確連接到芯片（如微處理器）上提供的溫度檢測二極管，這些二極管占系統(tǒng)中大部分耗散。（二極管的目的是提供臨界結(jié)溫的快速指示，避免系統(tǒng)中固有的所有熱滯后。它允許根據(jù)芯片溫度的升高立即啟動冷卻。為了將ADM1028使用的功耗保持在最低水平，它采用3.0 V至5.5 V電源供電，具有+2.5 V滿量程輸出。

5V 風(fēng)扇僅允許有限范圍的速度控制，因為它們的啟動電壓接近其 5V 全速水平。但ADM1028可與12 V風(fēng)扇配合使用，只需采用簡單的升壓放大器和圖4所示電路。

圖4.用于驅(qū)動12 V風(fēng)扇的升壓電路，使用線性風(fēng)扇控制ADM1028的DAC輸出。

線性控制的主要優(yōu)點是安靜。但是，正如我們所指出的，速度控制范圍是有限的。例如，控制電壓范圍為 12 V 至 7 V 的 12 V 風(fēng)扇可以在 7 V 下以半速運行。使用 5-V 風(fēng)扇的情況更糟。通常，5 V 風(fēng)扇需要施加 3.5 V 或 4 V 才能啟動，但在該電壓下，它們將以接近全速的速度運行，速度控制范圍非常有限。但是，從效率角度來看，使用圖12所示電路以4 V電壓運行遠非最佳。這是因為升壓晶體管消耗的功率相對較大（當(dāng)風(fēng)扇在 8 V 下運行時，晶體管兩端的 4V 壓降效率不高）。所需的外部電路也相對昂貴。

PWM控制：目前用于控制PC風(fēng)扇速度的流行方法是低頻PWM控制。在這種方法中，施加到風(fēng)扇的電壓始終為零或滿量程，從而避免了在較低電壓下線性控制中遇到的問題。圖5所示為與ADT7460熱電壓控制器PWM輸出配合使用的典型驅(qū)動電路。

圖5.低頻PWM風(fēng)扇驅(qū)動電路。

這種驅(qū)動方法的主要優(yōu)點是簡單、便宜且非常高效，因為風(fēng)扇要么完全打開，要么完全關(guān)閉。

缺點是轉(zhuǎn)速信息被PWM驅(qū)動信號斬波，因為電源并不總是施加到風(fēng)扇上。轉(zhuǎn)速信息可以使用一種稱為脈沖拉伸的技術(shù)來檢索 - 將風(fēng)扇打開足夠長的時間以收集轉(zhuǎn)速信息（可能會增加可聽噪聲）。圖6顯示了脈沖拉伸的情況。

圖6.脈沖拉伸以收集轉(zhuǎn)速信息。

低頻PWM的另一個缺點是換向噪聲。當(dāng)風(fēng)機盤管連續(xù)打開和關(guān)閉時，可能會出現(xiàn)可聞噪音。為了應(yīng)對這種噪聲，ADI公司最新的風(fēng)扇控制器設(shè)計為以22.5 kHz的頻率驅(qū)動風(fēng)扇，該頻率超出可聽范圍。外部控制電路在高頻PWM下更簡單，但只能與4線風(fēng)扇一起使用。盡管這些風(fēng)扇對市場相對較新，但它們正在迅速變得越來越受歡迎。圖7顯示了用于高頻PWM的電路。

圖7.用于驅(qū)動具有高頻PWM的風(fēng)扇的電路。

PWM信號直接驅(qū)動風(fēng)扇;驅(qū)動場效應(yīng)管集成在風(fēng)扇內(nèi)。這種方法減少了外部元件數(shù)量，使外部電路更加簡單。由于PWM驅(qū)動信號直接施加到風(fēng)扇線圈上，因此風(fēng)扇的電子設(shè)備始終通電，轉(zhuǎn)速信號始終可用。這消除了對脈沖拉伸的需求及其可能產(chǎn)生的噪聲。換向噪聲也被消除或顯著降低，因為線圈的開關(guān)頻率超出了可聽范圍。

總結(jié)

從噪聲、可靠性和功率效率的角度來看，最優(yōu)選的風(fēng)扇控制方法是使用高頻（>20 kHz）PWM驅(qū)動器。

除了消除噪聲脈沖拉伸和與低頻PWM相關(guān)的換向噪聲外，它還具有比線性控制更寬的控制范圍。使用高頻PWM，風(fēng)扇可以以低至全速10%的速度運行，而同一風(fēng)扇使用線性控制只能以至少50%的全速運行。它更節(jié)能，因為風(fēng)扇始終完全打開或完全關(guān)閉。 （當(dāng)FET關(guān)閉或飽和時，其耗散非常低，消除了線性情況下晶體管中的顯著損耗。它比始終開啟或開/關(guān)控制更安靜，因為風(fēng)扇可以以較低的速度運行 - 可以逐漸變化。最后，較慢地運行風(fēng)扇還可以延長其使用壽命，從而提高系統(tǒng)可靠性。

審核編輯：郭婷