解析：计算机风扇的转速控制技术

　　概述:风扇的转速控制系统

　　俗话说，麻雀虽小五脏俱全。表面看起来只是一个电动机带动叶片在那里“呼呼”地转，其实风扇也有自己完善的控制系统。风扇的转速控制系统包括三部分：温度传感器、转速控制器以及我们最常见的“风扇”(本体)。

　　下面是一个典型的温度控制流程：温度传感器负责监视CPU核心的温度，如果发现温度升高就会通知转速控制器；传感器的输出信号一般会送到控制CPU散热风扇转速的脉冲宽度调制器(PWM，转速控制器的一种)，随后转速控制器会根据CPU温度调节风扇转速，以允许的最低速度来冷却处理器。在设计自动风扇转速控制系统时，减少风扇声学噪音、降低功耗以及提高可靠性都是重要的改进因素。

　　具体到实际产品上，风扇的转速控制系统由软件和硬件两部分组成。下面，我们分别予以介绍。

　　风扇的软件转速控制技术

　　在主板的BIOS以及操作系统中，我们都可以看到一组与温度控制相关的参数，其实它们就是一组与温度有关的控制代码。在这个控制体系中，CPU→BIOS→转速控制芯片以及操作系统四者之间协同工作，共同完成对风扇的控制。不过在这里，我们只介绍转速控制软件的工作原理，至于编程的事情就留给程序员去做吧。

　　控制软件(微代码)在设计时，需要注意四个参数值，它们分别是温度下限（Tmin）、调速空间(Trang)、温度上限（Tmax）和温度滞后值。利用这四个可编程的参数，就可以使控制电路对散热系统有完全的控制能力。

图1 风扇转速控制系统的工作流程(简图)

　　转速控制的工作流程如图1所示：当传感器发现CPU的温度达到Tmin时，风扇启动，它先会全速转动约2秒钟（这是因为风扇启动时需要更大的驱动力，按照工作时的运转曲线提供驱动力达不到需要的转速，甚至完全转不起来，所以刚启动时必须按全速运行的情况提供驱动电压），然后回复到最小转速。如果CPU温度继续升高时，风扇的转速会随着温度的升高而提高，直到最高转速。令风扇达到最高转速时的CPU温度也就是Tmax，温度上限与温度下限的差值就是Trang ，即Trang =Tmax-Tmin，一般说来Trang的范围会在15℃～80℃之间，并且会因为用户设置的不同而存在差异。

　　如果CPU的温度开始变低，则冷却风扇转速会随着温度降低相应降低。当CPU温度降到Tmin时，冷却风扇转速减到最低转速。此时，冷却风扇会继续工作一段时间，让CPU温度降到比Tmin低一些之后再停转。这样可以避免风扇在Tmin处频繁开关。Tmin与风扇停转时CPU温度的差值就是温度滞后值。一般来说，可以根据实际需求，在1℃～15℃这个范围中选取一个值作为温度滞后值参数。

　　风扇的硬件转速控制技术

　　众多软件技术只有依附到硬件实体上才有意义，从这个层次上说，硬件控制要更加基础、而且更加重要。

　　1．最简单的开／关控制

　　ON/OFF是最简单的风扇转速控制方法，控制参数只需要设定一个温度值。超过这个温度，风扇开始运转；低于这个温度，则停转。这种最简单的控制系统，就是在电动机的基础上增加了一个温度控制功能。这项控制技术只有两种状态，要么风扇静止，要么风扇就全速转动。虽然控制电路比较简单，但由于无法控制电能消耗和风扇噪音，这种方法现在已经不再使用。

　　2、线性调速控制

　　与最简单的开关控制相比，这是一种稍微改进之后的控制方式，电路图如图2所示。加在风扇电源两端的电压是受控可变的，风扇转速会随着输入电压的变化而变化。这种控制方法听起来很不错，但有一个问题——加在风扇两端的电压如果低于风扇启动电压，风扇是转不起来的。一般来讲，+12V风扇需要+8V左右的启动电压，这意味着能够用来调节速度的电压范围只有4V左右；而额定电压+5V的风扇要更麻烦一些，因为它的启动电压约为+4V，在只有1V这么小的电压调节范围内实现宽范围的速度调节是非常困难的。

图2 线形调速控制的电路原理图

　　除此之外，线形调速控制技术还有一个缺点，那就是由于启动三极管Q1总处于导通状态(任何时候都要耗电)，在精打细算的系统中这点能耗还是不可以忽略的。

　　3、脉宽调制（PWM）技术

图3 PWM脉宽调制技术

　　现在流行的3线风扇基本上都采用这种驱动技术，其电路图如图3所示。与线性调速控制有些类似，但两者却有本质区别——图2中Q1始终处于导通状态，而图3中的Q1有导通和截止两种状态。随着PWM的信号占空比的不同，风扇的转速就可以得到调整。这种方法可以获得比线性调速控制方法更宽的速度调整范围。