笔记本电脑的风扇结构和特性

笔记本电脑轻薄化的发展历程中，散热一直是一个关键课题。一般来说大都采用主动散热，即使用风扇把热量吹走。使用风扇，不可避免地会伴随噪音的产生。本文会从 EC（笔记本电脑专用控制器）的角度分析如何优雅地控制风扇。

风扇结构

笔记本电脑散热采用的风扇，通常是 4-Wire Brushless DC Motor Fan，即四线无刷直流电机风扇。支持转速控制和转速侦测，因此此种风扇也称 SmartFan。

风扇模组拆解，如下图所示：

扇叶固定在永磁体上作为转子，电磁线圈作为定子固定在风扇模组上，定子和转子通过轴承连接。当线圈通过特定电流后会产生变化的磁场，和永磁体的磁场作用就会推动转子旋转。电流越大，转速越快。

智能风扇模组除了正负极接线外，还需要提供 PWM 信号以控制转速。还需要侦测反馈信号，以测量转速。这样风扇的控制才能做到“有的放矢”。风扇模组都会有一个搭载一个驱动 IC，以满足测速、控速，如下所示。

风扇特性

风扇起转

不同厂家的风扇品质有所不同，高品质的风扇最低速应该低于全速的30%（最低可以达到10%）。

风扇起转的 PWM 占空比应该高于最低速对应的占空比，因为需要克服起转阻力。

占空比和转速

BLDC Fan 的转速和其控制 PWM 之间是一次线性关系，如下图

风扇厂家会规定风扇转速的可控范围，及全速和有效最低速对应的 PWM 占空比。对于最低速对应的有效PWM 占空比以下的占空比信号，通常有如下三种处理方法。

风扇控制

笔记本电脑散热大都需要风扇。为了实现低功耗、低噪音，一般有如下要求：转速可控、转速控制范围广（风扇全速的20%--100%）、转速可测。基于以上要求，大都使用四线无刷直流风扇，采用PWM 控速。

根据四线直流无刷电机风扇的特性，风扇控制一般有如下几点需要注意。

转速控制

由电磁学可知，在允许的范围内通过线圈的电流越大，产生的磁场就越强，同“转子”本身的磁场互斥后“转子”的力矩就越大，最终转速就越快。

电机驱动 IC 根据输入的 PWM 控制电机转速一般有两种方案。

第一，驱动 IC 根据输入的 PWM 的占空比控制电源开启和关闭的时间，从而控制电机转速。PWM 占空比高，电源导通时间就长，转速就越快。该方法每次电源接通的电压没有减小，因此力矩没有减小，可实现的控速范围广（最低转速可至全速的10%）。

第二，驱动 IC 根据输入的 PWM 的占空比调节电机实际接入的电压，以控制电机转速，该种方法的最大缺点就是控速范围小（最低转速为全速的50%以上）。

一般驱动IC的实现方案都是第一个，这有利于实现更宽的转速控制范围。

根据实际需求精确控制转速，需要配合MCU给出占空比变化的 PWM 以随时调整转速至指定大小。转速控制可采用简单的“分级查表法”或者复杂的“PID控制法”。

起转控制

风扇的起转一般有两个要求。首先，转速稳定前转速不能超过全速的30%。其次，达到指定转速的时间不能超过2s。

转子上的永磁体的磁场和线圈产生的磁场存在“极性”对冲的话，就会产生“推力”。当磁场极性没有对冲时，可能存在“死锁”状态无法起转。因此控制风扇起转时，PWM 占空比需尽可能地提高（30%），保证导通瞬间产生抖动从而顺利起转，防止“死锁”。

转速侦测

测速的原理比较简单，“转子”旋转过程中霍尔传感器发出脉冲，一般是一圈两个脉冲，主要看风扇模组的设计。MCU 通过测量反馈信号一个周期的时间即可得出风扇“转子”的实时转速。

噪音控制

风扇噪音对用户体验影响极大，因此控制风扇噪音也是必须的。

风扇的“声音源”其实有以下几点：

第一，风扇扇叶旋转划破空气产生气流，必然会有“风声”。此类噪音通过改善扇叶的形状可以降低，转速越大“风声”越大，但是一般可以接受。

第二，使用 PWM 占空比控速，“转子”必然是“走走停停”。因此“转子”有持续的脉冲扭矩，每次“转子”起转（或者是受力）都会产生振动，振动频率就是PWM的频率。人耳对声音频率的感知范围是 20Hz--20KHz，如果风扇控速的PWM 的频率选择在该范围内，就会产生“滋滋的电流”声。解决办法就是避开人耳的感知范围。因此一般选择的PWM 频率为23KHz 左右。

第三，扇叶旋转产生的气流在流经尖锐的边缘时很容易产生“口哨声”，因此在风扇以及系统机构设计中必须避免。

了解4线无刷直流电机风扇的结构和特性，在使用MCU控制它的时候，才能游刃有余。