人们对控制个人电脑和其他电子设备冷却风扇速度的集成电路越来越感兴趣。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有了显著的发展。本文将描述这种演变是如何以及为什么发生的，并将为设计师提供一些有用的方法。

热的产生和排出

电子产品，尤其是消费类电子产品的趋势，是朝着更小的产品，增强功能的组合。因此，许多电子元件都被塞进了非常小的尺寸中。一个明显的例子就是笔记本电脑。轻薄和“Lite”笔记本电脑的体积大幅缩小，但它们的处理能力却得到了维持或提高。这种趋势的其他例子包括投影系统和机顶盒。这些系统的共同之处在于，除了体积明显变小(而且还在变小)之外，它们必须散发的热量不会减少;它经常增加!在笔记本电脑中，大部分热量是由处理器产生的;在投影机中，大部分热量是由光源产生的。这些热量需要安静而有效地排出。

最安静的散热方式是使用被动元件，如散热器和热管。然而，事实证明，在许多流行的消费电子产品中，这些技术是不够的，而且它们也有些昂贵。一个好的替代方案是主动冷却，在系统中引入风扇，在底盘和发热部件周围产生气流，有效地从系统中排出热量。然而，风扇是噪音的来源。它也是系统中一个额外的功耗来源——如果电源是由电池提供的，这是一个非常重要的考虑因素。风扇也是系统中的一个机械部件，从可靠性的角度来看不是一个理想的解决方案。

速度控制——一种回答对使用风扇的一些反对意见的方法——可以有以下优点:

1. 放慢风扇的运行速度可以减少它发出的噪音，

2. 放慢风扇的运行速度可以降低其耗电量，

3. 降低风扇运行速度可以提高风扇的可靠性和寿命。

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

1. 2线的粉丝

2. 电话的粉丝

3. 四线的粉丝。

这里要讨论的风机控制方法有:

1. 无风扇控制

2. 开/关控制

3. 线性(连续直流)控制

4. 低频脉宽调制(PWM)

5. 高频风机控制。

风机的类型

2线风扇有电源端子和接地端子。3线风扇有电源、接地和转速(“转速”)输出，提供频率与速度成正比的信号。4线风扇具有电源，接地，连接输出和pwm驱动输入。简而言之，PWM利用一系列开关脉冲中脉冲的相对宽度来调节施加到电机上的功率水平。

通过调整直流电压或低频PWM中的脉冲宽度来控制2线风扇。然而，只有两根电线，连接信号是不可靠的。这意味着没有迹象表明风扇运行有多快，或者实际上，它是否在运行。这种形式的速度控制是开环的。

3线风扇可以使用与2线风扇相同的驱动器进行控制——可变直流或低频PWM。2线风扇和3线风扇之间的区别是风扇闭环速度控制反馈的可用性。转速信号用于指示风扇是否运行和转速。

当由直流电压驱动时，连接信号具有与图1中“理想连接”非常相似的方波输出。它总是有效的，因为电源不断地应用到风扇上。然而，对于低频PWM，连接信号只有在电源被施加到风扇时才有效，也就是说，在脉冲的on相位期间。当PWM驱动器切换到关相时，风扇内部的连接信号产生电路也关闭。由于连接输出通常来自漏极打开，因此当PWM驱动器关闭时，它将浮在高位，如图1所示。因此，虽然理想的转速代表风扇的实际速度，但PWM驱动器实际上“切断”了转速信号输出，并可能产生错误的结果。

为了确保在PWM控制下的正确风扇转速，有必要定期打开风扇足够长的时间以获得完整的转速周期。该特性在许多Devices风扇控制器中实现，例如ADM1031和ADT7460。

除了电源、接地和连接信号外，4线风扇还有一个PWM输入，用于控制风扇的速度。而不是切换电源到整个风扇打开和关闭，只有电源到驱动线圈被切换，使连接信息持续可用。开关线圈会产生一些换向噪声。以大于20khz的速率驱动线圈将噪声移出可听范围，因此典型的PWM风扇驱动信号使用相当高的频率(20khz)。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%。图2显示了3线制和4线制风扇电路的区别。

风扇控制

无控制:风扇控制最简单的方法就是不使用任何风扇;只需在100%的时间内全速运行一个适当容量的风扇。这样做的主要优点是保证了故障安全冷却和一个非常简单的外部电路。然而，因为风扇总是开着的，它的寿命缩短了，即使在不需要冷却的时候，它也会消耗恒定的功率。此外，它不停的噪音很可能令人讨厌。

开/关控制:下一个最简单的风扇控制方法是恒温控制，或开/关控制。这个方法也很容易实现。风扇只在需要冷却时打开，其余时间关闭。用户需要设置需要冷却的条件-通常当温度超过预设的阈值时。

Devices ADM1032是使用温度设定值进行风扇开/关控制的理想传感器。它有一个产生THERM输出的比较器，通常是高的，但当温度超过可编程阈值时切换到低。当温度下降预设量低于THERM限制时，它会自动切换回高。这种可编程迟滞的优点是，当温度接近阈值时，风扇不会持续开关。图3是一个使用ADM1032的电路示例。

开/关控制的缺点是它非常有限。当风扇打开时，它会立即旋转到全速，声音响亮，令人讨厌。因为人类很快就习惯了风扇的声音，它的关闭也是非常明显的。(它可以比作你厨房里的冰箱。直到关掉它，你才注意到它发出的声音。)因此，从声学角度来看，开/关控制远非最佳选择。

线性控制:在风扇控制的下一个层次，线性控制，施加到风扇的电压是可变的。对于较低的速度(更少的冷却和更安静的操作)，电压降低，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的风扇(额定最大电压)。这样的风扇可能需要至少7伏才能开始旋转。当它开始旋转时，它可能会以大约一半的全速旋转，外加7伏电压。由于需要克服惯性，启动风扇所需的电压高于保持风扇旋转所需的电压。因此，当施加在风扇上的电压降低时，它可能会以较慢的速度旋转，直到，比如说，4 V，在这一点上它会停止转动。这些值会因制造商的不同、型号的不同、甚至风扇的不同而有所不同。

Devices ADM1028线性风扇控制IC具有可编程输出和风扇控制可能需要的几乎所有功能，包括精确连接芯片(如微处理器)上提供的温度感应二极管的能力，这些芯片占系统耗电的大部分。(二极管的目的是提供临界结温度的快速指示，避免系统固有的所有热滞后。它允许立即开始冷却，基于芯片温度的上升。为了使ADM1028使用的功率保持在最小，它在3.0 V至5.5 V的电源电压下工作，具有+2.5 V满量程输出。

5v风扇只允许一个有限的速度控制范围，因为他们的启动电压接近他们的5v全速水平。但ADM1028可以与12v风扇一起使用，通过采用简单的升压升压放大器，电路如图4所示。

线性控制的主要优点是它很安静。然而，正如我们所指出的，速度控制范围是有限的。例如，控制电压范围为7v至12v的12v风扇，在7v时可能以半速运行。如果是5v风扇，情况就更糟了。通常，5v风扇将需要3.5 V或4v的电压才能启动，但在这个电压下，它们将以接近全速的速度运行，速度控制范围非常有限。但是在12v电压下运行，使用如图4所示的电路，从效率的角度来看远远不是最佳的。这是因为升压晶体管耗散了相对大量的功率(当风扇在8v工作时，晶体管上的4v降不是很有效)。所需的外部电路也相对昂贵。

脉宽调制控制当前pc机中控制风扇转速的常用方法是低频PWM控制。在这种方法中，施加到风扇上的电压总是为零或满量程，避免了在较低电压下线性控制所遇到的问题。图5显示了ADT7460热电压控制器PWM输出的典型驱动电路。

这种驱动方法的主要优点是它简单，便宜，而且非常有效，因为风扇要么完全打开，要么完全关闭。

缺点是连接信息被PWM驱动信号切碎，因为功率并不总是应用于风扇。可以使用一种叫做脉冲拉伸的技术来获取附着信息——打开风扇足够长的时间来收集附着信息(可能会增加可听到的噪音)。图6显示了脉冲拉伸的一个例子。

低频PWM的另一个缺点是换相噪声。随着风机盘管的不断打开和关闭，可听到的噪音可能存在。为了处理这种噪音，最新的Devices风扇控制器被设计成以22.5 kHz的频率驱动风扇，这是在可听范围之外的。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。虽然这些风扇对市场来说相对较新，但它们正迅速变得越来越受欢迎。图7描述了用于高频PWM的电路。

PWM信号直接驱动风扇;驱动场效应管集成在风扇内部。这种方法减少了外部元件的数量，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，风扇的电子设备始终通电，并且连接信号始终可用。这就消除了对脉冲拉伸的需要——以及它可能产生的噪声。换相噪声也被消除，或显着降低，因为线圈被切换的频率在可听范围之外。

总结

从噪声、可靠性和功率效率的角度来看，风扇控制的最佳方法是使用高频(> 20khz) PWM驱动。

除了消除与低频PWM相关的噪声脉冲拉伸和换相噪声的需要外，它具有比线性控制更宽的控制范围。使用高频PWM，风扇可以以低至全速的10%的速度运行，而使用线性控制，同一风扇可能只能以全速的至少50%运行。它更节能，因为风扇总是要么完全打开，要么完全关闭。(在FET关闭或饱和的情况下，其耗散非常低，消除了线性情况下晶体管的显著损耗。)它比总是开或开/关控制更安静，因为风扇可以以较低的速度运行，这可以逐渐改变。最后，放慢风扇的运行速度也会延长风扇的使用寿命，提高系统的可靠性。