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

發熱和散熱

電子產品，尤其是消費電子產品的趨勢是向具有增強功能組合的小型產品發展。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和機頂盒。這些系統的共同點是，除了尺寸明顯更小（并且仍在縮小）之外，它們必須散發的熱量不會減少;經常增加！在筆記本電腦中，大部分熱量是由處理器產生的;在投影儀中，大部分熱量是由光源產生的。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，將風扇引入系統以在機箱和發熱組件周圍產生氣流，從而有效地從系統中去除熱量。但是，風扇是噪音源。它也是系統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。風扇也是系統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 - 回答使用風扇的一些異議的一種方法 - 可以具有以下優點：

運行風扇的速度較慢會降低其發出的噪音，

運行風扇的速度較慢可以減少其消耗的功率，

運行風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扇和控制它們的方法。我們將在這里討論各種風扇類型以及當今使用的控制方法的優缺點。對風扇進行分類的一種方法是：

2線風扇

3線風扇

4 線風扇。

這里要討論的風扇控制方法包括：

無風扇控制

開/關控制

線性（連續直流）控制

低頻脈寬調制 （PWM）

高頻風扇控制。

風扇類型

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

2線風扇通過調節低頻PWM中的直流電壓或脈沖寬度來控制。然而，只有兩根電線，轉速信號并不容易獲得。這意味著沒有跡象表明風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的。

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

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

圖1.3 線風扇中的轉速計輸出波形 — 理想且在 PWM 控制下。

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

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

圖2.3 線和 4 線風扇。

風扇控制

無控制：最簡單的風扇控制方法是根本不使用任何控制;只需在 100% 的時間內全速運行適當容量的風扇即可。其主要優點是保證故障安全冷卻和非常簡單的外部電路。但是，由于風扇始終處于打開狀態，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/關控制：風扇控制的下一個最簡單的方法是恒溫或開/關控制。這種方法也很容易實現。風扇僅在需要冷卻時才打開，其余時間關閉。用戶需要設置需要冷卻的條件，通常是當溫度超過預設閾值時。

ADI公司的ADM1032是利用溫度設定點進行開/關風扇控制的理想傳感器。它有一個比較器，可產生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。當溫度降至預設量低于 THERM 限值時，它會自動切換回高電平。這種可編程遲滯的優點是，當溫度接近閾值時，風扇不會連續打開/關閉。圖3是使用ADM1032的電路示例。

圖3.開/關控制電路示例。

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

線性控制：在風扇控制的下一級，線性控制，施加到風扇的電壓是可變的。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。這種關系有局限性。例如，考慮一個 12V 風扇（額定最大電壓）。這樣的風扇可能需要至少 7 V 才能開始旋轉。當它開始旋轉時，它可能會以大約一半的全速旋轉，并施加 7 V。由于需要克服慣性，啟動風扇所需的電壓高于保持風扇旋轉所需的電壓。因此，隨著施加到風扇的電壓降低，它可能會以較慢的速度旋轉，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，甚至因風扇而異。

ADI公司的線性風扇控制ICADM1028具有可編程輸出和風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，這些二極管占系統中大部分耗散。（二極管的目的是提供臨界結溫的快速指示，避免系統中固有的所有熱滯后。它允許根據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.用于驅動12 V風扇的升壓電路，使用線性風扇控制ADM1028的DAC輸出。

線性控制的主要優點是安靜。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 風扇可以在 7 V 下以半速運行。使用 5-V 風扇的情況更糟。通常，5 V 風扇需要施加 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（當風扇在 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風扇速度的流行方法是低頻PWM控制。在這種方法中，施加到風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動電路。

圖5.低頻PWM風扇驅動電路。

這種驅動方法的主要優點是簡單、便宜且非常高效，因為風扇要么完全打開，要么完全關閉。

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

圖6.脈沖拉伸以收集轉速信息。

低頻PWM的另一個缺點是換向噪聲。當風機盤管連續打開和關閉時，可能會出現可聞噪音。為了應對這種噪聲，ADI公司最新的風扇控制器設計為以22.5 kHz的頻率驅動風扇，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線風扇一起使用。盡管這些風扇對市場相對較新，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.用于驅動具有高頻PWM的風扇的電路。

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

總結

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

除了消除噪聲脈沖拉伸和與低頻PWM相關的換向噪聲外，它還具有比線性控制更寬的控制范圍。使用高頻PWM，風扇可以以低至全速10%的速度運行，而同一風扇使用線性控制只能以至少50%的全速運行。它更節能，因為風扇始終完全打開或完全關閉。 （當FET關閉或飽和時，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/關控制更安靜，因為風扇可以以較低的速度運行 - 可以逐漸變化。最后，較慢地運行風扇還可以延長其使用壽命，從而提高系統可靠性。

審核編輯：郭婷