風(fēng)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，用于控制個人計算機(jī)和其他電子設(shè)備中的冷卻風(fēng)扇的速度。緊湊型電風(fēng)扇價格便宜，半個多世紀(jì)以來一直用于冷卻電子設(shè)備。然而，近年來，使用這些風(fēng)扇的技術(shù)已經(jīng)顯著發(fā)展。本文將描述這種演變是如何以及為何發(fā)生的，并將為設(shè)計師提出一些有用的方法。

熱量的產(chǎn)生和消除

電子產(chǎn)品，特別是消費(fèi)電子產(chǎn)品的趨勢是面向具有增強(qiáng)功能組合的小型產(chǎn)品。因此，許多電子元件被制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(tǒng)和機(jī)頂盒。除了明顯更小且尺寸越來越小之外，這些系統(tǒng)的共同之處還在于它們必須消散的熱量不會減少;經(jīng)常增加！在筆記本電腦中，大部分熱量由處理器產(chǎn)生;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(jīng)證明在許多流行的消費(fèi)電子產(chǎn)品中是不夠的 - 并且它們也有些昂貴。一個很好的選擇是主動冷卻，將風(fēng)扇引入系統(tǒng)以在機(jī)箱和發(fā)熱部件周圍產(chǎn)生氣流，有效地從系統(tǒng)中移除熱量。然而，風(fēng)扇是噪音的來源。它也是系統(tǒng)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(fēng)扇也是系統(tǒng)中的另一個機(jī)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(fēng)扇的一些反對意見的方法 - 可以具備以下優(yōu)勢：

1. 降低風(fēng)扇速度可降低噪音它排出，
2. 運(yùn)行風(fēng)扇速度較慢可以降低功耗，
3. 運(yùn)行風(fēng)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(diǎn)。對風(fēng)扇進(jìn)行分類的一種方法是：

這里討論的風(fēng)扇控制方法包括：

風(fēng)扇類型

2線風(fēng)扇有電源和接地端子。 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)脈沖中的脈沖相對寬度來調(diào)節(jié)施加到電機(jī)的功率水平。

通過調(diào)節(jié)直流電壓來控制2線風(fēng)扇或低頻PWM中的脈沖寬度。但是，僅使用兩根電線，就無法獲得轉(zhuǎn)速信號。這意味著沒有關(guān)于風(fēng)扇運(yùn)行速度的指示 - 或者實(shí)際上，它是否正在運(yùn)行。這種形式的速度控制是開環(huán)。

3線風(fēng)扇可以使用與2線相同類型的驅(qū)動器進(jìn)行控制風(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)扇的反饋可用于閉環(huán)速度控制。轉(zhuǎn)速信號指示風(fēng)扇是否正在運(yùn)行及其速度。

當(dāng)由直流電壓驅(qū)動時，轉(zhuǎn)速信號的方波輸出非常類似于圖1中的“理想轉(zhuǎn)速”。它總是有效的，因?yàn)殡娫闯掷m(xù)施加在風(fēng)扇上。但是，對于低頻PWM，轉(zhuǎn)速信號僅在風(fēng)扇通電時有效 - 即在脈沖 on 階段。當(dāng)PWM驅(qū)動器切換到 off 階段時，風(fēng)扇的內(nèi)部轉(zhuǎn)速信號發(fā)生電路也會關(guān)閉。由于轉(zhuǎn)速輸出通常來自漏極開路，當(dāng)PWM驅(qū)動器 off 時，它將浮動為高電平，如圖1所示。因此，理想的轉(zhuǎn)速表示風(fēng)扇的實(shí)際速度，PWM驅(qū)動實(shí)際上“切斷”轉(zhuǎn)速信號輸出并可能產(chǎn)生錯誤的讀數(shù)。

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

除電源，接地和轉(zhuǎn)速信號外， 4線風(fēng)扇有一個PWM輸入，用于控制風(fēng)扇的速度。不是將電源切換到整個風(fēng)扇 on 和 off ，而是僅切換驅(qū)動線圈的電源，從而連續(xù)提供轉(zhuǎn)速信息。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)動線圈會將噪聲移動到可聽范圍之外，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(diǎn)是風(fēng)扇速度可以控制在低至風(fēng)扇全速的10％的速度。圖2顯示了3線和4線風(fēng)扇電路之間的差異。

風(fēng)扇控制

無控制：最簡單的風(fēng)扇控制方法是不使用任何風(fēng)扇控制;只需100％的時間全速運(yùn)行適當(dāng)容量的風(fēng)扇。這樣做的主要優(yōu)點(diǎn)是保證了故障安全冷卻和非常簡單的外部電路。但是，由于風(fēng)扇始終處于開啟狀態(tài)，因此它的使用壽命會縮短，并且即使不需要冷卻也會使用恒定的功率。此外，它不間斷的噪音可能很煩人。

開/關(guān)控制：下一個最簡單的風(fēng)扇控制方法是恒溫，或開/關(guān)控制。這種方法也很容易實(shí)現(xiàn)。風(fēng)扇僅在需要冷卻時才會打開，并在剩余的時間內(nèi)關(guān)閉。用戶需要設(shè)置需要冷卻的條件 - 通常在溫度超過預(yù)設(shè)閾值時。

ADI公司的ADM1032是使用溫度設(shè)定值進(jìn)行開/關(guān)風(fēng)扇控制的理想傳感器。它有一個比較器，產(chǎn)生THERM輸出 - 通常高，但當(dāng)溫度超過可編程閾值時，切換低。當(dāng)溫度下降到低于THERM限值的預(yù)設(shè)量時，它會自動切換回高。此可編程遲滯的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)溫度接近閾值時，風(fēng)扇不會持續(xù)打開/關(guān)閉。圖3是使用ADM1032的電路示例。

開/關(guān)控制的缺點(diǎn)是它非常有限。當(dāng)風(fēng)扇在上切換時，它會立即以聽覺和煩人的方式旋轉(zhuǎn)到全速。因?yàn)槿祟惡芸炀蜁?xí)慣于風(fēng)扇的聲音，所以它的切換 off 也非常明顯。 （可以將它與你廚房里的冰箱進(jìn)行比較。在關(guān)閉之前你沒有注意到它所產(chǎn)生的噪音。）從聲學(xué)的角度來看，開/關(guān)控制遠(yuǎn)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（較少的冷卻和較安靜的操作），電壓降低，并且對于較高的速度，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）。這種風(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，它可能會在施加7 V時以全速的一半旋轉(zhuǎn)。由于需要克服慣性，啟動風(fēng)扇所需的電壓高于使其保持旋轉(zhuǎn)所需的電壓。因此，當(dāng)施加到風(fēng)扇的電壓減小時，它可以以較慢的速度旋轉(zhuǎn)，直到例如4V，此時它將停轉(zhuǎn)。從制造商到制造商，從型號到型號，甚至從風(fēng)扇到風(fēng)扇，這些值都會有所不同。

ADI公司的ADM1028線性風(fēng)扇控制IC具有可編程輸出和幾乎所有可能的功能在風(fēng)扇控制中需要，包括能夠準(zhǔn)確地連接到芯片上提供的溫度感應(yīng)二極管，例如微處理器，這些芯片占系統(tǒng)的大部分耗散。 （二極管的目的是提供關(guān)鍵結(jié)溫的快速指示，避免系統(tǒng)中固有的所有熱滯后。它可以根據(jù)芯片溫度的升高立即啟動冷卻。）為了保持使用的功率ADM1028至少采用3.0 V至5.5 V電源供電，+ 2.5 V滿量程輸出。

5 V風(fēng)扇僅允許有限范圍的速度控制，因?yàn)樗鼈兊膯与妷航咏? V全速電平。但是ADM1028可以與12 V風(fēng)扇一起使用，采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(yōu)點(diǎn)是很安靜。但是，正如我們已經(jīng)指出的那樣，速度控制范圍是有限的。例如，控制電壓范圍為7 V至12 V的12 V風(fēng)扇可以以7 V的半速運(yùn)行。使用5 V風(fēng)扇時情況更糟。通常情況下，5V風(fēng)扇需要施加3.5 V或4 V才能啟動，但在該電壓下，它們將以接近全速運(yùn)行，速度控制范圍非常有限。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(yùn)行遠(yuǎn)非最佳。這是因?yàn)樯龎?a target="_blank">晶體管耗散了相對較大的功率（當(dāng)風(fēng)扇工作在8 V時，晶體管上的4 V壓降不是很有效）。所需的外部電路也相對昂貴。

PWM控制：目前用于控制PC風(fēng)扇速度的普遍方法是低頻PWM 控制 。在這種方法中，施加到風(fēng)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(qū)動電路。

這種驅(qū)動方法的主要優(yōu)點(diǎn)是它簡單，便宜且高效，因?yàn)轱L(fēng)扇完全 on 或完全 off 。

缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速信息被PWM驅(qū)動信號斬波，因?yàn)殡娫床⒉豢偸鞘┘釉陲L(fēng)扇上?？梢允褂梅Q為脈沖展寬的技術(shù)檢索轉(zhuǎn)速信息 - 將風(fēng)扇切換到足以收集轉(zhuǎn)速信息（可能增加可聽噪聲）。圖6顯示了脈沖展寬的情況。

低頻PWM的另一個缺點(diǎn)是換向噪聲。隨著風(fēng)扇線圈持續(xù)接通和斷開，可能存在可聽見的噪音。為了應(yīng)對這種噪音，最新的ADI公司風(fēng)扇控制器設(shè)計用于驅(qū)動風(fēng)扇，頻率為22.5 kHz，超出可聽范圍。外部控制電路使用高頻PWM更簡單，但只能與4線風(fēng)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描述了用于高頻PWM的電路。

PWM信號直接驅(qū)動風(fēng)扇;驅(qū)動FET集成在風(fēng)扇內(nèi)部。減少外部元件數(shù)量，這種方法使外部電路更加簡單。由于PWM驅(qū)動信號直接應(yīng)用于風(fēng)扇的線圈，因此風(fēng)扇的電子元件始終處于通電狀態(tài)，并且轉(zhuǎn)速信號始終可用。這消除了脈沖拉伸的需要 - 以及它可以產(chǎn)生的噪聲。換向噪聲也被消除或顯著減小，因?yàn)榫€圈的切換頻率超出可聽范圍。