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常见问题

笔记本电脑的风扇结构和特性

时间:2023-12-15 09:42:02 来源:博亿堂byt98网址登陆 点击:1次

  轻薄化的发展历史中,散热一直是一个关键课题。一般来说大都采用主动散热,即使用风扇把热量吹走。使用风扇,不可避免地会伴随噪音的产生。本文会从 EC(笔记本电脑专用

  笔记本电脑散热采用的风扇,通常是 4-Wire BrushlessDCMotor Fan,即四线无刷直流电机风扇。支持转速控制和转速侦测,因此此种风扇也称 SmartFan。

  扇叶固定在永磁体上作为转子,电磁线圈作为定子固定在风扇模组上,定子和转子通过轴承连接。当线圈通过特定电流后会产生一些变化的磁场,和永磁体的磁场作用就会推动转子旋转。电流越大,转速越快。

  智能风扇模组除了正负极接线外,还需要出示 PWM信号以控制转速。还需要侦测反馈信号,以测量转速。这样风扇的控制才能做到“有的放矢”。风扇模组都会有一个搭载一个驱动IC,以满足测速、控速,如下所示。

  不同厂家的风扇品质不一样,高品质的风扇最低速应该低于全速的30%(最低能够达到10%)。

  风扇起转的 PWM 占空比应该高于最低速对应的占空比,因需要克服起转阻力。

  风扇厂家会规定风扇转速的可控范围,及全速和有效最低速对应的 PWM 占空比。对于最低速对应的有效PWM 占空比以下的占空比信号,通常有如下三种处理方法。

  笔记本电脑散热大都需要风扇。为实现低功耗、低噪音,一般有如下要求:转速可控、转速控制范围广(风扇全速的20%--100%)、转速可测。基于以上要求,大都使用四线无刷直流风扇,采用PWM 控速。

  由电磁学可知,在允许的范围内通过线圈的电流越大,产生的磁场就越强,同“转子”本身的磁场互斥后“转子”的力矩就越大,最终转速就越快。

  第一,驱动 IC 依据输入的 PWM 的占空比控制电源开启和关闭的时间,从而控制电机转速。PWM 占空比高,电源导通时间就长,转速就越快。该方法每次电源接通的电压没有减小,因此力矩没有减小,可实现的控速范围广(最低转速可至全速的10%)。

  第二,驱动 IC 依据输入的 PWM 的占空比调节电机实际接入的电压,以控制电机转速,该种方法的最大缺点在于控速范围小(最低转速为全速的50%以上)。

  根据实际的需求精确控制转速,需要配合MCU给出占空比变化的 PWM 以随时调整转速至指定大小。转速控制可采用简单的“分级查表法”或者复杂的“PID控制法”。

  风扇的起转一般有两个要求。首先,转速稳定前转速不能超过全速的30%。其次,达到指定转速的时间不能超过2s。

  转子上的永磁体的磁场和线圈产生的磁场存在“极性”对冲的话,就会产生“推力”。当磁场极性没有对冲时,有几率存在“死锁”状态无法起转。因此控制风扇起转时,PWM 占空比需尽可能地提高(30%),保证导通瞬间产生抖动从而顺利起转,防止“死锁”。

  测速的原理最简单,“转子”旋转过程中霍尔传感器发出脉冲,一般是一圈两个脉冲,主要看风扇模组的设计。MCU 经过测量反馈信号一个周期的时间即可得出风扇“转子”的实时转速。

  第一,风扇扇叶旋转划破空气产生气流,必然会有“风声”。此类噪音通过改善扇叶的形状能够更好的降低,转速越大“风声”越大,但是通常能接受。

  第二,使用 PWM 占空比控速,“转子”必然是“走走停停”。因此“转子”有持续的脉冲扭矩,每次“转子”起转(或者是受力)都会产生振动,振动频率就是PWM的频率。人耳对声音频率的感知范围是 20Hz--20KHz,如果风扇控速的PWM 的频率选择在该范围内,就会产生“滋滋的电流”声。处理方法就是避开人耳的感知范围。因此一般选择的PWM 频率为23KHz 左右。

  第三,扇叶旋转产生的气流在流经尖锐的边缘时很容易产生“口哨声”,因此在风扇以及系统机构设计中必须避免。

  了解4线无刷直流电机风扇的结构和特性,在使用MCU控制它的时候,才能游刃有余。

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