风扇控制方法介绍和原理解析

简介

集成电路中的兴趣一直在增长，用于控制个人计算机和其他电子设备中的冷却风扇的速度。紧凑型电风扇价格便宜，半个多世纪以来一直用于冷却电子设备。然而，近年来，使用这些风扇的技术已经显着发展。本文将描述这种演变是如何以及为何发生的，并将为设计师提出一些有用的方法。

热量的产生和消除

电子产品，特别是消费电子产品的趋势是面向具有增强功能组合的小型产品。因此，许多电子元件被制成非常小的形状因子。一个明显的例子是笔记本电脑。薄型和“Lite”笔记本电脑显着缩小，但其处理能力得到了保持或提高。这种趋势的其他例子包括投影系统和机顶盒。除了明显更小且尺寸越来越小之外，这些系统的共同之处还在于它们必须消散的热量不会减少;经常增加！在笔记本电脑中，大部分热量由处理器产生;在投影仪中，大部分热量是由光源产生的。这种热量需要安静有效地消除。

最安静的散热方式是使用无源元件，如散热片和热管。然而，这些已经证明在许多流行的消费电子产品中是不够的 - 并且它们也有些昂贵。一个很好的选择是主动冷却，将风扇引入系统以在机箱和发热部件周围产生气流，有效地从系统中移除热量。然而，风扇是噪音的来源。它也是系统中额外的功耗源 - 如果电池供电则是一个非常重要的考虑因素。风扇也是系统中的另一个机械组件，从可靠性的角度来看，它不是理想的解决方案。

速度控制 - 回答使用风扇的一些反对意见的方法 - 可以具备以下优势：

1. 降低风扇速度可降低噪音它排出，
2. 运行风扇速度较慢可以降低功耗，
3. 运行风扇会降低其可靠性和使用寿命。

有许多不同类型的粉丝和控制它们的方法。我们将在这里讨论各种风扇类型以及当今使用的控制方法的优缺点。对风扇进行分类的一种方法是：

这里讨论的风扇控制方法包括：

风扇类型

2线风扇有电源和接地端子。 3线风扇具有电源，接地和转速（“转速”）输出，可提供频率与速度成比例的信号。 4线风扇具有电源，接地，转速输出和PWM驱动输入。简而言之，PWM使用一系列开关脉冲中的脉冲相对宽度来调节施加到电机的功率水平。

通过调节直流电压来控制2线风扇或低频PWM中的脉冲宽度。但是，仅使用两根电线，就无法获得转速信号。这意味着没有关于风扇运行速度的指示 - 或者实际上，它是否正在运行。这种形式的速度控制是开环。

3线风扇可以使用与2线相同类型的驱动器进行控制风扇可变直流或低频PWM。 2线风扇和3线风扇之间的区别在于风扇的反馈可用于闭环速度控制。转速信号指示风扇是否正在运行及其速度。

当由直流电压驱动时，转速信号的方波输出非常类似于图1中的“理想转速”。它总是有效的，因为电源持续施加在风扇上。但是，对于低频PWM，转速信号仅在风扇通电时有效 - 即在脉冲 on 阶段。当PWM驱动器切换到 off 阶段时，风扇的内部转速信号发生电路也会关闭。由于转速输出通常来自漏极开路，当PWM驱动器 off 时，它将浮动为高电平，如图1所示。因此，理想的转速表示风扇的实际速度，PWM驱动实际上“切断”转速信号输出并可能产生错误的读数。

为了确保在PWM控制下读取正确的风扇速度，有必要定期将风扇打开足够长的时间以获得完整的转速循环。此功能在许多ADI公司的风扇控制器中实现，例如ADM1031和ADT7460。

除电源，接地和转速信号外， 4线风扇有一个PWM输入，用于控制风扇的速度。不是将电源切换到整个风扇 on 和 off ，而是仅切换驱动线圈的电源，从而连续提供转速信息。打开和关闭线圈会产生一些换向噪声。以大于20 kHz的速率驱动线圈会将噪声移动到可听范围之外，因此典型的PWM风扇驱动信号使用相当高的频率（> 20 kHz）。 4线风扇的另一个优点是风扇速度可以控制在低至风扇全速的10％的速度。图2显示了3线和4线风扇电路之间的差异。

风扇控制

无控制：最简单的风扇控制方法是不使用任何风扇控制;只需100％的时间全速运行适当容量的风扇。这样做的主要优点是保证了故障安全冷却和非常简单的外部电路。但是，由于风扇始终处于开启状态，因此它的使用寿命会缩短，并且即使不需要冷却也会使用恒定的功率。此外，它不间断的噪音可能很烦人。

开/关控制：下一个最简单的风扇控制方法是恒温，或开/关控制。这种方法也很容易实现。风扇仅在需要冷却时才会打开，并在剩余的时间内关闭。用户需要设置需要冷却的条件 - 通常在温度超过预设阈值时。

ADI公司的ADM1032是使用温度设定值进行开/关风扇控制的理想传感器。它有一个比较器，产生THERM输出 - 通常高，但当温度超过可编程阈值时，切换低。当温度下降到低于THERM限值的预设量时，它会自动切换回高。此可编程迟滞的优点是，当温度接近阈值时，风扇不会持续打开/关闭。图3是使用ADM1032的电路示例。

开/关控制的缺点是它非常有限。当风扇在上切换时，它会立即以听觉和烦人的方式旋转到全速。因为人类很快就会习惯于风扇的声音，所以它的切换 off 也非常明显。 （可以将它与你厨房里的冰箱进行比较。在关闭之前你没有注意到它所产生的噪音。）从声学的角度来看，开/关控制远非最佳。

线性控制：在风扇控制的下一级，线性控制，施加到风扇的电压是可变的。对于较低的速度（较少的冷却和较安静的操作），电压降低，并且对于较高的速度，电压增加。这种关系有局限性。例如，考虑一个12V风扇（额定最大电压）。这种风扇可能需要至少7 V才能开始旋转。当它开始旋转时，它可能会在施加7 V时以全速的一半旋转。由于需要克服惯性，启动风扇所需的电压高于使其保持旋转所需的电压。因此，当施加到风扇的电压减小时，它可以以较慢的速度旋转，直到例如4V，此时它将停转。从制造商到制造商，从型号到型号，甚至从风扇到风扇，这些值都会有所不同。

ADI公司的ADM1028线性风扇控制IC具有可编程输出和几乎所有可能的功能在风扇控制中需要，包括能够准确地连接到芯片上提供的温度感应二极管，例如微处理器，这些芯片占系统的大部分耗散。 （二极管的目的是提供关键结温的快速指示，避免系统中固有的所有热滞后。它可以根据芯片温度的升高立即启动冷却。）为了保持使用的功率ADM1028至少采用3.0 V至5.5 V电源供电，+ 2.5 V满量程输出。

5 V风扇仅允许有限范围的速度控制，因为它们的启动电压接近其5 V全速电平。但是ADM1028可以与12 V风扇一起使用，采用一个简单的升压放大器，其电路如图4所示。

线性控制的主要优点是很安静。但是，正如我们已经指出的那样，速度控制范围是有限的。例如，控制电压范围为7 V至12 V的12 V风扇可以以7 V的半速运行。使用5 V风扇时情况更糟。通常情况下，5V风扇需要施加3.5 V或4 V才能启动，但在该电压下，它们将以接近全速运行，速度控制范围非常有限。但是，从效率的角度来看，使用如图4所示的电路在12 V下运行远非最佳。这是因为升压晶体管耗散了相对较大的功率（当风扇工作在8 V时，晶体管上的4 V压降不是很有效）。所需的外部电路也相对昂贵。

PWM控制：目前用于控制PC风扇速度的普遍方法是低频PWM 控制 。在这种方法中，施加到风扇的电压总是为零或满量程 - 避免了在较低电压下线性控制中遇到的问题。图5显示了ADT7460热电压控制器的PWM输出使用的典型驱动电路。

这种驱动方法的主要优点是它简单，便宜且高效，因为风扇完全 on 或完全 off 。

缺点是转速信息被PWM驱动信号斩波，因为电源并不总是施加在风扇上。可以使用称为脉冲展宽的技术检索转速信息 - 将风扇切换到足以收集转速信息（可能增加可听噪声）。图6显示了脉冲展宽的情况。

低频PWM的另一个缺点是换向噪声。随着风扇线圈持续接通和断开，可能存在可听见的噪音。为了应对这种噪音，最新的ADI公司风扇控制器设计用于驱动风扇，频率为22.5 kHz，超出可听范围。外部控制电路使用高频PWM更简单，但只能与4线风扇一起使用。虽然这些粉丝对市场来说相对较新，但它们正在迅速变得更受欢迎。图7描述了用于高频PWM的电路。

PWM信号直接驱动风扇;驱动FET集成在风扇内部。减少外部元件数量，这种方法使外部电路更加简单。由于PWM驱动信号直接应用于风扇的线圈，因此风扇的电子元件始终处于通电状态，并且转速信号始终可用。这消除了脉冲拉伸的需要 - 以及它可以产生的噪声。换向噪声也被消除或显着减小，因为线圈的切换频率超出可听范围。