從PC/NB中的電子元件所產生的熱量問題已愈來愈嚴重，因此已成了許多OEM公司所必須審慎因應的議題。風扇是將熱量從電源供應器、CPU和硬碟處移除的最基本方法，有時候，這些關鍵性的區域都會使用到一個風扇，不過，大部分低成本的電腦並不會採用額外的風扇。目前每個電腦用的風扇都使用一個無刷式（brushless）的DC馬達，這種風扇的效率與馬達控制的狀況密切相關。此外，已有新的作法能改善聲音的狀況，進而能降低風扇的噪音。

在「智能熱量管理專欄」系列的第一篇文章中，將探討PWM控制相較於簡單DC風扇驅動的表現優勢，以及對噪音改善的影響。此外，文中也將解釋從二線、三線到四線風扇的延革以及新增的選擇，請參考(圖一)。

《圖一　 風扇的功能從二線（電源與接地）進展到三線（增加 tach轉速訊號），再進展到四線（增加PWM訊號），在Intel定義的四線風扇中，pin 3是感應功能，pin 4是控制功能。》

(a) (b)

DC控制方式

最基本的風扇馬達只有兩線的輸出入控制，所以風扇如果不是一直打開，它就會在某些固定溫度超過時才會基於恆溫器（thermostat）型式的輸入值而有開關的動作。風扇的內部機械轉向（commutation）為三線風扇提供了一個轉速計（tachometer；tach）訊號，進而能避免掉更複雜的電路設計。這個轉速訊號在每一轉中會產生兩個脈衝（pulse），此訊號讓主機端確定風扇仍在運轉。

基本型風扇的一項進展是讓馬達以不同的轉速運轉，最簡單的變速方式是以類比控制來改變電壓的供應，此方法使用驅動電晶體（drive transistor）來控制一個對照驅動電壓等級的運算放大器（Operational Amplifier；op amp）。電腦中的許多晶片提供一個脈寬調變（Pulse Width Modulation；PWM）輸出，在整合這些脈衝後就能提供一個可變的 DC 速度電壓來驅動運算放大器。這是一種電路等級的低價風扇控制作法，它經常被用來驅動二線或三線風扇。在這類型的設計中，一個 12V 的風扇能很理想的降到約 6V 工作，當低於6V的等級時，風扇並不會重新開始，只會停留在失速（stall）的模式中。(圖二)是目前ATX CPU風扇的一個例子。

《圖二　ATX機構中的垂直式空氣流動，此流動是為CPU而設計的。這種不協調的熱量管理方式對於系統的介入與控制不高》

為了解決風扇控制的複雜性與成本議題，下一步要處理的是風扇總是需要維持在電壓啟用狀態（12V）的問題。第四個pin腳能提供從零到全速工作週期（duty cycle）的PWM控制，比起隨時都維持在滿載的電壓下，而且在整個工作週期中電壓都得維持住的DC方式，此作法能提供更佳的電壓範圍。依據不同風扇的特性，在控制上PWM頻率的使用範圍是從20Hz到90Hz。PWM的頻率必須仔細的選擇，以避免在風扇中產生諧振（resonance）的現象。此設計的一個問題是低頻PWM會產生嗡嗡的噪音；另一個問題則是當PWM頻率到達機械轉向頻率（commutation frequency）時，會形成風扇顫振（fan chatter）的現象，要避免這個問題，PWM的頻率要維持在轉向頻率之下。

當風扇被一個PWM輸入所驅動時，一般是假定風扇正以常態的rpm在運轉，不過，由於系統中的諧振效應，這種說法並不完全正確。以正常轉向頻率之上的頻率來驅動馬達的電感器（inductor）（由監控磁效應和操縱轉向的霍爾效應感測器Hall Effect sensor來決定），會產生PWM和轉向之間的搞擊頻率（beat frequency）。

改善PWM方法學

DC控制的最大缺點是欠缺可調整的範圍，只能在速度下降 60％之內進行支援而不會有重新啟動的問題。有一些電路技術能將DC系統啟動再將速度下降50％。不過，這得視風扇的設計和負符而定，它仍然存在一些問題。採用PWM設計，只需在很短的時間內就能完成操作要求，甚至在40％範圍的速度仍能獲得保證。額外的20％會造成明顯的噪音差異，它很容易可以聽得到。事實上，速度上改變10％的可察覺音量差異就很容易被注意到。影響可察覺噪音的因素包括：風扇和箱子的設計、風扇的相關位置、出風口的數目、流過內部元件的氣流以及是否有會讓風扇形成哨音的尖端邊緣。此外，一個牢牢焊接在機箱上的風扇會大聲的振動與傳導。

為了解決風扇的問題，Intel定義出具有一個PWM輸入、一個轉速pin腳，和一個穩定的12V供電的四線風扇控制。此風扇把PWM的輸入視為一個訊號值，能在極高的PWM頻率下運作，同時還會用到一個更高（kHz範圍）PWM頻率值。在這個設計中，馬達的速度可以降低20％，但仍能可靠地啟動。

這是最先進的作法，一個擁有四線風扇的板子會有稍微好一些的性能表現，因為風扇可以用更低的速度來運作，也會更安靜；當需要解決溫度的問題時，風扇才以較快的速度運轉。然而，並不是說它能以30％的速度來運作就表現它已很接近設計需求的目標，仍然還是有改善的空間的。(圖三)顯示的是採用額外元件來減低噪音狀況的四線風扇設計。

《圖三　使用四線風扇的控制案例》

想要提升風扇的效能，成本永遠是其中的主要議題，不過，花的錢如果超過了實際的需要，那也是不必要的。當然，這還只是考慮初期成本而已，噪音防治的成本和其他讓用戶更滿意的成本都還沒有算進去。在PC的使用對象中，有的人可以忍受噪音，但並非人人如此，例如很多在辦公室裏的員工，他們很需要能專心工作來提升個人效率，但噪音的打擾會降低他們的效率。此外，在一個安靜房間中如果有一台電腦不斷地開關它的風扇，它所產生的噪音是大部分的人都不想聽到的。處理器速度和PC內部耗電的增加，以及對於產品差異化的需求，都形成了要求透過風扇控制來將噪音降到最低的趨勢。這個趨勢是讓風扇避免以全速運轉，只要以讓CPU保持在安全作業極限內的最小速度運轉就好了。

Intel的BTX（Balanced Technology Extended）架構提出了協調性極佳的熱流傳導策略。從前方來的冷空氣會先通過CPU，再通過機箱，最後經由電源供應器風扇或出風口排出。BTX採用四線風扇，它的早期版本在風扇中安置了一個熱敏電阻（thermistor）來感測流入空氣的溫度。這個系統會依據它對系統需求的分析而降低風速，比方說，當流入溫度是35?C，風扇被下達命令要以80％的工作週期來運轉時，它就會以80％來工作；如果流入溫度只有30?C，工作週期會下降到60％。Intel已定義BTX所需要的特性，以及風扇速度必須如何調降來因應。這是一個在技術上相當複雜的解決方案，對於成本的影響衝擊確實不小。(圖四)顯示的是氣流設計符合BTX規範的一個案例。

《圖四　BTX在許多重要的區域提供平行的空氣流動》

從風扇的角度來看，這個方案相當昂貴。此外，差不多需要二磅的銅材質（不是鋁材質）的散熱槽（heatsink）來移除熱量。這種結合對流與傳導的冷卻方式必須能達到理想的熱流動功能，從這一點看起來，這種冷卻系統是在有足夠容量的條件下建置的，而且已從既有的單位中省下了相當大的成本。對於可攜式設計來說，增加的散熱片重量是無法接受的，所以還有其他的替代性散熱技術被使用，請參考(圖五)。不過，若從控制的觀點來看，用在桌上型應用的愈先進風扇噪音降低解決方案（例如在圖三中所顯示的），也同樣適用於可攜式的產品。

《圖五　筆記型電腦熱量導流模型》

先進的速度控制

當一個系統被要求做到安靜運作的設計時，有許多不同的設計選擇就會出現。設計者可以選擇一個非常有效率的刀鋒設計風扇，散熱槽貼著它來以低速氣流移除從CPU處產生的大量熱能。不過，當CPU的溫度顯示需要更快的冷卻時，這個系統要能快速的反應。(圖六)顯示各個熱點處於空氣流通狀況極佳的一套散熱設計。

《圖六　電腦中的散熱示意圖，它顯示了高溫區域及空氣流動的路徑》

結論

當Intel的BTX平台被提出後，就出現了控制整個機箱的設計轉移態勢。Intel 的先進速度控制（Advanced Speed Control；ACS）中，在機箱中有一個智慧性的中心來監控所有的溫度、檢驗它的風扇來源、評估該以何種速度來執行風扇的運轉，以及如何依多組輸入值來進行決定。

以一個不知道電源供應器現況資訊、只知道處理器或其他地方溫度的主機板上的風扇控制器來控制全局的作法已無法被接受，新的風扇速度控制必須要知道晶片組中每一個晶片、處理器、記憶體控制器和I/O控制器的溫度，因為它們都會產生高熱。這個系統也需要透過機殼建置時操作的特性化程序來知道，當每個風扇以全速運轉、CPU在閒置與全速運作時的狀況，以及此時對於每個風扇的衝擊影響；也該知道每個風扇在全速運轉時產生多少dBA的特性，以及ACS該如何決定出一套造成最小噪音衝擊的風扇組合。

當投入更大的心力去思考噪音的衝擊、並願意為這些狀況的改善做些事情時，將可證明這是非常有效率的一種作法。（作者為Andigilog產品應用工程師）

＜下期預告：本系列將介紹如何從桌上型電腦及可攜式電腦中移除熱量及減低噪音的技術原理及解決方案，接下來的系列將陸續介紹：溫度量測、做為System Health Bus的SST、PECI和CPU數位溫度計、智慧型系統控制、電源供應器中的SST以及智慧型風扇，敬請期待。＞

延 伸 閱 讀

無刷直流電降溫風扇在電腦和其他電子設備中的應用越來越普及，設備設計人員也因而面臨更多新的問題與挑戰，其中之一就是要解決風扇啟動和關閉時的電源超載問題。在一般情況下，降溫風扇的電流大約是在0.5A～1.5A之間，然而，風扇啟動和關閉時的電流卻會增加4～6倍。。相關介紹請見「無刷直流電風扇的電流控制設計」一文。 Murata 熱敏電阻的準確率在25°C時為1％，整體準確性取決於：ADC 的解析度、ADC的誤差（增益、偏移及線性或合稱TUE）、補償表的解析度。你可在「用於手提式系統的小型溫度傳感器」一文中得到進一步的介紹。 近年來，由於網際網路（Internet）的盛行，對電腦系統廠商而言，將會產生重大的變革，PC 將由過去強調運算速度、存取容量的需求轉變成純粹上網的裝置（Internet Appliance），這種將PC視為終端（Terminal）的架構，自然而然讓伺服器（Server）扮演內部系統管理、資料存取、外部連結等重要角色 。在「CAE在高階伺服器熱傳分析的應用與散熱設計－硬碟存取裝置的熱傳特性評估」一文為你做了相關的評析。

市場動態

Supertex發佈新款整合驅動器和脈寬調變（PWM）風扇速度控制器。這種HV7100型控制器IC的輸入電壓範圍達到16V到90V，因而適用於效率更高的伺服器和電信領域的24V和48V系統。相關介紹請見「Supertex的PWM風扇速度控制器IC有較寬的輸入電壓範圍」一文。 Microchip Technology的冷卻風扇速度控制器（cooling-fan speed controller）家族，可在PWM模式下工作，以配合無刷直流風扇。為了控制利用PWM波形工作週期的風扇速度，可以使用外部負溫度係數（negative-temperature-coefficient；NTC）熱敏電阻或PIC微控制器及其SMBus串列資料匯流排。你可在「在易受電磁干擾的電路中使用 PWM 風扇控制器」一文中得到進一步的介紹。 Andigilog發表Andigilog ThermalEdge技術，能為電腦子系統提供精確溫度感測、精準系統控制以及風扇噪音和散熱管理。Andigilog將開始供應兩顆採用ThermalEdge技術的樣品元件給桌上型電腦、筆記型電腦和其它電腦系統。在「Andigilog ThermalEdge技術利用智慧型熱管理解決方案讓電腦散熱更好」一文為你做了相關的評析。