筆記本電腦的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和特性

筆記本電腦輕薄化的發(fā)展歷程中，散熱一直是一個(gè)關(guān)鍵課題。一般來說大都采用主動(dòng)散熱，即使用風(fēng)扇把熱量吹走。使用風(fēng)扇，不可避免地會(huì)伴隨噪音的產(chǎn)生。本文會(huì)從 EC（筆記本電腦專用控制器）的角度分析如何優(yōu)雅地控制風(fēng)扇。

風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

筆記本電腦散熱采用的風(fēng)扇，通常是 4-Wire Brushless DC Motor Fan，即四線無刷直流電機(jī)風(fēng)扇。支持轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)速偵測，因此此種風(fēng)扇也稱 SmartFan。

風(fēng)扇模組拆解，如下圖所示：

扇葉固定在永磁體上作為轉(zhuǎn)子，電磁線圈作為定子固定在風(fēng)扇模組上，定子和轉(zhuǎn)子通過軸承連接。當(dāng)線圈通過特定電流后會(huì)產(chǎn)生變化的磁場，和永磁體的磁場作用就會(huì)推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電流越大，轉(zhuǎn)速越快。

智能風(fēng)扇模組除了正負(fù)極接線外，還需要提供 PWM 信號(hào)以控制轉(zhuǎn)速。還需要偵測反饋信號(hào)，以測量轉(zhuǎn)速。這樣風(fēng)扇的控制才能做到“有的放矢”。風(fēng)扇模組都會(huì)有一個(gè)搭載一個(gè)驅(qū)動(dòng) IC，以滿足測速、控速，如下所示。

風(fēng)扇特性

風(fēng)扇起轉(zhuǎn)

不同廠家的風(fēng)扇品質(zhì)有所不同，高品質(zhì)的風(fēng)扇最低速應(yīng)該低于全速的30%（最低可以達(dá)到10%）。

風(fēng)扇起轉(zhuǎn)的 PWM 占空比應(yīng)該高于最低速對(duì)應(yīng)的占空比，因?yàn)樾枰朔疝D(zhuǎn)阻力。

占空比和轉(zhuǎn)速

BLDC Fan 的轉(zhuǎn)速和其控制 PWM 之間是一次線性關(guān)系，如下圖

風(fēng)扇廠家會(huì)規(guī)定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的可控范圍，及全速和有效最低速對(duì)應(yīng)的 PWM 占空比。對(duì)于最低速對(duì)應(yīng)的有效PWM 占空比以下的占空比信號(hào)，通常有如下三種處理方法。

風(fēng)扇控制

筆記本電腦散熱大都需要風(fēng)扇。為了實(shí)現(xiàn)低功耗、低噪音，一般有如下要求：轉(zhuǎn)速可控、轉(zhuǎn)速控制范圍廣（風(fēng)扇全速的20%--100%）、轉(zhuǎn)速可測?；谝陨弦?，大都使用四線無刷直流風(fēng)扇，采用PWM 控速。

根據(jù)四線直流無刷電機(jī)風(fēng)扇的特性，風(fēng)扇控制一般有如下幾點(diǎn)需要注意。

轉(zhuǎn)速控制

由電磁學(xué)可知，在允許的范圍內(nèi)通過線圈的電流越大，產(chǎn)生的磁場就越強(qiáng)，同“轉(zhuǎn)子”本身的磁場互斥后“轉(zhuǎn)子”的力矩就越大，最終轉(zhuǎn)速就越快。

電機(jī)驅(qū)動(dòng) IC 根據(jù)輸入的 PWM 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速一般有兩種方案。

第一，驅(qū)動(dòng) IC 根據(jù)輸入的 PWM 的占空比控制電源開啟和關(guān)閉的時(shí)間，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM 占空比高，電源導(dǎo)通時(shí)間就長，轉(zhuǎn)速就越快。該方法每次電源接通的電壓沒有減小，因此力矩沒有減小，可實(shí)現(xiàn)的控速范圍廣（最低轉(zhuǎn)速可至全速的10%）。

第二，驅(qū)動(dòng) IC 根據(jù)輸入的 PWM 的占空比調(diào)節(jié)電機(jī)實(shí)際接入的電壓，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，該種方法的最大缺點(diǎn)就是控速范圍?。ㄗ畹娃D(zhuǎn)速為全速的50%以上）。

一般驅(qū)動(dòng)IC的實(shí)現(xiàn)方案都是第一個(gè)，這有利于實(shí)現(xiàn)更寬的轉(zhuǎn)速控制范圍。

根據(jù)實(shí)際需求精確控制轉(zhuǎn)速，需要配合MCU給出占空比變化的 PWM 以隨時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速至指定大小。轉(zhuǎn)速控制可采用簡單的“分級(jí)查表法”或者復(fù)雜的“PID控制法”。

起轉(zhuǎn)控制

風(fēng)扇的起轉(zhuǎn)一般有兩個(gè)要求。首先，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定前轉(zhuǎn)速不能超過全速的30%。其次，達(dá)到指定轉(zhuǎn)速的時(shí)間不能超過2s。

轉(zhuǎn)子上的永磁體的磁場和線圈產(chǎn)生的磁場存在“極性”對(duì)沖的話，就會(huì)產(chǎn)生“推力”。當(dāng)磁場極性沒有對(duì)沖時(shí)，可能存在“死鎖”狀態(tài)無法起轉(zhuǎn)。因此控制風(fēng)扇起轉(zhuǎn)時(shí)，PWM 占空比需盡可能地提高（30%），保證導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生抖動(dòng)從而順利起轉(zhuǎn)，防止“死鎖”。

轉(zhuǎn)速偵測

測速的原理比較簡單，“轉(zhuǎn)子”旋轉(zhuǎn)過程中霍爾傳感器發(fā)出脈沖，一般是一圈兩個(gè)脈沖，主要看風(fēng)扇模組的設(shè)計(jì)。MCU 通過測量反饋信號(hào)一個(gè)周期的時(shí)間即可得出風(fēng)扇“轉(zhuǎn)子”的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

噪音控制

風(fēng)扇噪音對(duì)用戶體驗(yàn)影響極大，因此控制風(fēng)扇噪音也是必須的。

風(fēng)扇的“聲音源”其實(shí)有以下幾點(diǎn)：

第一，風(fēng)扇扇葉旋轉(zhuǎn)劃破空氣產(chǎn)生氣流，必然會(huì)有“風(fēng)聲”。此類噪音通過改善扇葉的形狀可以降低，轉(zhuǎn)速越大“風(fēng)聲”越大，但是一般可以接受。

第二，使用 PWM 占空比控速，“轉(zhuǎn)子”必然是“走走停?！薄Ｒ虼恕稗D(zhuǎn)子”有持續(xù)的脈沖扭矩，每次“轉(zhuǎn)子”起轉(zhuǎn)（或者是受力）都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率就是PWM的頻率。人耳對(duì)聲音頻率的感知范圍是 20Hz--20KHz，如果風(fēng)扇控速的PWM 的頻率選擇在該范圍內(nèi)，就會(huì)產(chǎn)生“滋滋的電流”聲。解決辦法就是避開人耳的感知范圍。因此一般選擇的PWM 頻率為23KHz 左右。

第三，扇葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流在流經(jīng)尖銳的邊緣時(shí)很容易產(chǎn)生“口哨聲”，因此在風(fēng)扇以及系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須避免。

了解4線無刷直流電機(jī)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)和特性，在使用MCU控制它的時(shí)候，才能游刃有余。