筆記本電腦的風扇結構和特性

筆記本電腦輕薄化的發展歷程中，散熱一直是一個關鍵課題。一般來說大都采用主動散熱，即使用風扇把熱量吹走。使用風扇，不可避免地會伴隨噪音的產生。本文會從 EC（筆記本電腦專用控制器）的角度分析如何優雅地控制風扇。

風扇結構

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

風扇模組拆解，如下圖所示：

扇葉固定在永磁體上作為轉子，電磁線圈作為定子固定在風扇模組上，定子和轉子通過軸承連接。當線圈通過特定電流后會產生變化的磁場，和永磁體的磁場作用就會推動轉子旋轉。電流越大，轉速越快。

智能風扇模組除了正負極接線外，還需要提供 PWM 信號以控制轉速。還需要偵測反饋信號，以測量轉速。這樣風扇的控制才能做到“有的放矢”。風扇模組都會有一個搭載一個驅動 IC，以滿足測速、控速，如下所示。

風扇特性

風扇起轉

不同廠家的風扇品質有所不同，高品質的風扇最低速應該低于全速的30%（最低可以達到10%）。

風扇起轉的 PWM 占空比應該高于最低速對應的占空比，因為需要克服起轉阻力。

占空比和轉速

BLDC Fan 的轉速和其控制 PWM 之間是一次線性關系，如下圖

風扇廠家會規定風扇轉速的可控范圍，及全速和有效最低速對應的 PWM 占空比。對于最低速對應的有效PWM 占空比以下的占空比信號，通常有如下三種處理方法。

風扇控制

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

根據四線直流無刷電機風扇的特性，風扇控制一般有如下幾點需要注意。

轉速控制

由電磁學可知，在允許的范圍內通過線圈的電流越大，產生的磁場就越強，同“轉子”本身的磁場互斥后“轉子”的力矩就越大，最終轉速就越快。

電機驅動 IC 根據輸入的 PWM 控制電機轉速一般有兩種方案。

第一，驅動 IC 根據輸入的 PWM 的占空比控制電源開啟和關閉的時間，從而控制電機轉速。PWM 占空比高，電源導通時間就長，轉速就越快。該方法每次電源接通的電壓沒有減小，因此力矩沒有減小，可實現的控速范圍廣（最低轉速可至全速的10%）。

第二，驅動 IC 根據輸入的 PWM 的占空比調節電機實際接入的電壓，以控制電機轉速，該種方法的最大缺點就是控速范圍?。ㄗ畹娃D速為全速的50%以上）。

一般驅動IC的實現方案都是第一個，這有利于實現更寬的轉速控制范圍。

根據實際需求精確控制轉速，需要配合MCU給出占空比變化的 PWM 以隨時調整轉速至指定大小。轉速控制可采用簡單的“分級查表法”或者復雜的“PID控制法”。

起轉控制

風扇的起轉一般有兩個要求。首先，轉速穩定前轉速不能超過全速的30%。其次，達到指定轉速的時間不能超過2s。

轉子上的永磁體的磁場和線圈產生的磁場存在“極性”對沖的話，就會產生“推力”。當磁場極性沒有對沖時，可能存在“死鎖”狀態無法起轉。因此控制風扇起轉時，PWM 占空比需盡可能地提高（30%），保證導通瞬間產生抖動從而順利起轉，防止“死鎖”。

轉速偵測

測速的原理比較簡單，“轉子”旋轉過程中霍爾傳感器發出脈沖，一般是一圈兩個脈沖，主要看風扇模組的設計。MCU 通過測量反饋信號一個周期的時間即可得出風扇“轉子”的實時轉速。

噪音控制

風扇噪音對用戶體驗影響極大，因此控制風扇噪音也是必須的。

風扇的“聲音源”其實有以下幾點：

第一，風扇扇葉旋轉劃破空氣產生氣流，必然會有“風聲”。此類噪音通過改善扇葉的形狀可以降低，轉速越大“風聲”越大，但是一般可以接受。

第二，使用 PWM 占空比控速，“轉子”必然是“走走停?！?。因此“轉子”有持續的脈沖扭矩，每次“轉子”起轉（或者是受力）都會產生振動，振動頻率就是PWM的頻率。人耳對聲音頻率的感知范圍是 20Hz--20KHz，如果風扇控速的PWM 的頻率選擇在該范圍內，就會產生“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，扇葉旋轉產生的氣流在流經尖銳的邊緣時很容易產生“口哨聲”，因此在風扇以及系統機構設計中必須避免。

了解4線無刷直流電機風扇的結構和特性，在使用MCU控制它的時候，才能游刃有余。