風(fēng)扇控制方法介紹和原理解析

簡(jiǎn)介

集成電路中的興趣一直在增長(zhǎng)，用于控制個(gè)人計(jì)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(jià)格便宜，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直用于冷卻電子設(shè)備。然而，近年來(lái)，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(jì)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(shì)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(gè)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(shì)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(lái)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(huì)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(wú)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(gè)很好的選擇是主動(dòng)冷卻，將風(fēng)扇引入系統(tǒng)以在機(jī)箱和發(fā)熱部件周?chē)a(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(lái)源。它也是系統(tǒng)中額外的功耗源 - 如果電池供電則是一個(gè)非常重要的考慮因素。風(fēng)扇也是系統(tǒng)中的另一個(gè)機(jī)械組件，從可靠性的角度來(lái)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(duì)意見(jiàn)的方法 - 可以具備以下優(yōu)勢(shì)：

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(huì)降低其可靠性和使用壽命。

有許多不同類(lèi)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(lèi)型以及當(dāng)今使用的控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行分類(lèi)的一種方法是：

這里討論的風(fēng)扇控制方法包括：

風(fēng)扇類(lèi)型

2線(xiàn)風(fēng)扇有電源和接地端子。 3線(xiàn)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(hào)。 4線(xiàn)風(fēng)扇具有電源，接地，轉(zhuǎn)速輸出和PWM驅(qū)動(dòng)輸入。簡(jiǎn)而言之，PWM使用一系列開(kāi)關(guān)脈沖中的脈沖相對(duì)寬度來(lái)調(diào)節(jié)施加到電機(jī)的功率水平。

通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓來(lái)控制2線(xiàn)風(fēng)扇或低頻PWM中的脈沖寬度。但是，僅使用兩根電線(xiàn)，就無(wú)法獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)。這意味著沒(méi)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(kāi)環(huán)。

3線(xiàn)風(fēng)扇可以使用與2線(xiàn)相同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制風(fēng)扇可變直流或低頻PWM。 2線(xiàn)風(fēng)扇和3線(xiàn)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(hào)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(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速信號(hào)的方波輸出非常類(lèi)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(duì)于低頻PWM，轉(zhuǎn)速信號(hào)僅在風(fēng)扇通電時(shí)有效 - 即在脈沖 on 階段。當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)器切換到 off 階段時(shí)，風(fēng)扇的內(nèi)部轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生電路也會(huì)關(guān)閉。由于轉(zhuǎn)速輸出通常來(lái)自漏極開(kāi)路，當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)器 off 時(shí)，它將浮動(dòng)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(dòng)實(shí)際上“切斷”轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出并可能產(chǎn)生錯(cuò)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(kāi)足夠長(zhǎng)的時(shí)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(hào)外， 4線(xiàn)風(fēng)扇有一個(gè)PWM輸入，用于控制風(fēng)扇的速度。不是將電源切換到整個(gè)風(fēng)扇 on 和 off ，而是僅切換驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈的電源，從而連續(xù)提供轉(zhuǎn)速信息。打開(kāi)和關(guān)閉線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生一些換向噪聲。以大于20 kHz的速率驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈會(huì)將噪聲移動(dòng)到可聽(tīng)范圍之外，因此典型的PWM風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)信號(hào)使用相當(dāng)高的頻率（> 20 kHz）。 4線(xiàn)風(fēng)扇的另一個(gè)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(xiàn)和4線(xiàn)風(fēng)扇電路之間的差異。

風(fēng)扇控制

無(wú)控制：最簡(jiǎn)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(shí)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(jiǎn)單的外部電路。但是，由于風(fēng)扇始終處于開(kāi)啟狀態(tài)，因此它的使用壽命會(huì)縮短，并且即使不需要冷卻也會(huì)使用恒定的功率。此外，它不間斷的噪音可能很煩人。

開(kāi)/關(guān)控制：下一個(gè)最簡(jiǎn)單的風(fēng)扇控制方法是恒溫，或開(kāi)/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(shí)才會(huì)打開(kāi)，并在剩余的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉。用戶(hù)需要設(shè)置需要冷卻的條件 - 通常在溫度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)。

ADI公司的ADM1032是使用溫度設(shè)定值進(jìn)行開(kāi)/關(guān)風(fēng)扇控制的理想傳感器。它有一個(gè)比較器，產(chǎn)生THERM輸出 - 通常高，但當(dāng)溫度超過(guò)可編程閾值時(shí)，切換低。當(dāng)溫度下降到低于THERM限值的預(yù)設(shè)量時(shí)，它會(huì)自動(dòng)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(shí)，風(fēng)扇不會(huì)持續(xù)打開(kāi)/關(guān)閉。圖3是使用ADM1032的電路示例。

開(kāi)/關(guān)控制的缺點(diǎn)是它非常有限。當(dāng)風(fēng)扇在上切換時(shí)，它會(huì)立即以聽(tīng)覺(jué)和煩人的方式旋轉(zhuǎn)到全速。因?yàn)槿祟?lèi)很快就會(huì)習(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(méi)有注意到它所產(chǎn)生的噪音。）從聲學(xué)的角度來(lái)看，開(kāi)/關(guān)控制遠(yuǎn)非最佳。

線(xiàn)性控制：在風(fēng)扇控制的下一級(jí)，線(xiàn)性控制，施加到風(fēng)扇的電壓是可變的。對(duì)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(duì)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(gè)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(kāi)始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，它可能會(huì)在施加7 V時(shí)以全速的一半旋轉(zhuǎn)。由于需要克服慣性，啟動(dòng)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(shí)，它可以以較慢的速度旋轉(zhuǎn)，直到例如4V，此時(shí)它將停轉(zhuǎn)。從制造商到制造商，從型號(hào)到型號(hào)，甚至從風(fēng)扇到風(fēng)扇，這些值都會(huì)有所不同。

ADI公司的ADM1028線(xiàn)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(dòng)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(mǎn)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?dòng)電壓接近其5 V全速電平。但是ADM1028可以與12 V風(fēng)扇一起使用，采用一個(gè)簡(jiǎn)單的升壓放大器，其電路如圖4所示。

線(xiàn)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(shí)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(dòng)，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(lái)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(duì)較大的功率（當(dāng)風(fēng)扇工作在8 V時(shí)，晶體管上的4 V壓降不是很有效）。所需的外部電路也相對(duì)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(mǎn)量程 - 避免了在較低電壓下線(xiàn)性控制中遇到的問(wèn)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(dòng)電路。

這種驅(qū)動(dòng)方法的主要優(yōu)點(diǎn)是它簡(jiǎn)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(dòng)信號(hào)斬波，因?yàn)殡娫床⒉豢偸鞘┘釉陲L(fēng)扇上。可以使用稱(chēng)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(tīng)噪聲）。圖6顯示了脈沖展寬的情況。

低頻PWM的另一個(gè)缺點(diǎn)是換向噪聲。隨著風(fēng)扇線(xiàn)圈持續(xù)接通和斷開(kāi)，可能存在可聽(tīng)見(jiàn)的噪音。為了應(yīng)對(duì)這種噪音，最新的ADI公司風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，頻率為22.5 kHz，超出可聽(tīng)范圍。外部控制電路使用高頻PWM更簡(jiǎn)單，但只能與4線(xiàn)風(fēng)扇一起使用。雖然這些粉絲對(duì)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)相對(duì)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(hào)直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇;驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單。由于PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接應(yīng)用于風(fēng)扇的線(xiàn)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(hào)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€(xiàn)圈的切換頻率超出可聽(tīng)范圍。