从PC/NB中的电子元件所产生的热量问题已愈来愈严重，因此已成了许多OEM公司所必须审慎因应的议题。风扇是将热量从电源供应器、CPU和硬碟处移除的最基本方法，有时候，这些关键性的区域都会使用到一个风扇，不过，大部分低成本的电脑并不会采用额外的风扇。目前每个电脑用的风扇都使用一个无刷式（brushless）的DC马达，这种风扇的效率与马达控制的状况密切相关。此外，已有新的作法能改善声音的状况，进而能降低风扇的噪音。

在「智能热量管理专栏」系列的第一篇文章中，将探讨PWM控制相较于简单DC风扇驱动的表现优势，以及对噪音改善的影响。此外，文中也将解释从二线、三线到四线风扇的延革以及新增的选择，请参考(图一)。

《图一 风扇的功能从二线（电源与接地）进展到三线（增加 tach转速讯号），再进展到四线（增加PWM讯号），在Intel定义的四线风扇中，pin 3是感应功能，pin 4是控制功能。》

(a) (b)

DC控制方式

最基本的风扇马达只有两线的输出入控制，所以风扇如果不是一直打开，它就会在某些固定温度超过时才会基于恒温器（thermostat）型式的输入值而有开关的动作。风扇的内部机械转向（commutation）为三线风扇提供了一个转速计（tachometer；tach）讯号，进而能避免掉更复杂的电路设计。这个转速讯号在每一转中会产生两个脉冲（pulse），此讯号让主机端确定风扇仍在运转。

基本型风扇的一项进展是让马达以不同的转速运转，最简单的变速方式是以类比控制来改变电压的供应，此方法使用驱动电晶体（drive transistor）来控制一个对照驱动电压等级的运算放大器（Operational Amplifier；op amp）。电脑中的许多晶片提供一个脉宽调变（Pulse Width Modulation；PWM）输出，在整合这些脉冲后就能提供一个可变的 DC 速度电压来驱动运算放大器。这是一种电路等级的低价风扇控制作法，它经常被用来驱动二线或三线风扇。在这类型的设计中，一个 12V 的风扇能很理想的降到约 6V 工作，当低于6V的等级时，风扇并不会重新开始，只会停留在失速（stall）的模式中。 (图二)是目前ATX CPU风扇的一个例子。

《图二 ATX机构中的垂直式空气流动，此流动是为CPU而设计的。这种不协调的热量管理方式对于系统的介入与控制不高》

为了解决风扇控制的复杂性与成本议题，下一步要处理的是风扇总是需要维持在电压启用状态（12V）的问题。第四个pin脚能提供从零到全速工作周期（duty cycle）的PWM控制，比起随时都维持在满载的电压下，而且在整个工作周期中电压都得维持住的DC方式，此作法能提供更佳的电压范围。依据不同风扇的特性，在控制上PWM频率的使用范围是从20Hz到90Hz。 PWM的频率必须仔细的选择，以避免在风扇中产生谐振（resonance）的现象。此设计的一个问题是低频PWM会产生嗡嗡的噪音；另一个问题则是当PWM频率到达机械转向频率（commutation frequency）时，会形成风扇颤振（fan chatter）的现象，要避免这个问题， PWM的频率要维持在转向频率之下。

当风扇被一个PWM输入所驱动时，一般是假定风扇正以常态的rpm在运转，不过，由于系统中的谐振效应，这种说法并不完全正确。以正常转向频率之上的频率来驱动马达的电感器（inductor）（由监控磁效应和操纵转向的霍尔效应感测器Hall Effect sensor来决定），会产生PWM和转向之间的搞击频率（beat frequency）。

改善PWM方法学

DC控制的最大缺点是欠缺可调整的范围，只能在速度下降 60％之内进行支援而不会有重新启动的问题。有一些电路技术能将DC系统启动再将速度下降50％。不过，这得视风扇的设计和负符而定，它仍然存在一些问题。采用PWM设计，只需在很短的时间内就能完成操作要求，甚至在40％范围的速度仍能获得保证。额外的20％会造成明显的噪音差异，它很容易可以听得到。事实上，速度上改变10％的可察觉音量差异就很容易被注意到。影响可察觉噪音的因素包括：风扇和箱子的设计、风扇的相关位置、出风口的数目、流过内部元件的气流以及是否有会让风扇形成哨音的尖端边缘。此外，一个牢牢焊接在机箱上的风扇会大声的振动与传导。

为了解决风扇的问题，Intel定义出具有一个PWM输入、一个转速pin脚，和一个稳定的12V供电的四线风扇控制。此风扇把PWM的输入视为一个讯号值，能在极高的PWM频率下运作，同时还会用到一个更高（kHz范围）PWM频率值。在这个设计中，马达的速度可以降低20％，但仍能可靠地启动。

这是最先进的作法，一个拥有四线风扇的板子会有稍微好一些的性能表现，因为风扇可以用更低的速度来运作，也会更安静；当需要解决温度的问题时，风扇才以较快的速度运转。然而，并不是说它能以​​30％的速度来运作就表现它已很接近设计需求的目标，仍然还是有改善的空间的。 (图三)显示的是采用额外元件来减低噪音状况的四线风扇设计。

《图三 使用四线风扇的控制案例》

想要提升风扇的效能，成本永远是其中的主要议题，不过，花的钱如果超过了实际的需要，那也是不必要的。当然，这还只是考虑初期成本而已，噪音防治的成本和其他让用户更满意的成本都还没有算进去。在PC的使用对象中，有的人可以忍受噪音，但并非人人如此，例如很多在办​​公室里的员工，他们很需要能专心工作来提升个人效率，但噪音的打扰会降低他们的效率。此外，在一个安静房间中如果有一台电脑不断地开关它的风扇，它所产生的噪音是大部分的人都不想听到的。处理器速度和PC内部耗电的增加，以及对于产品差异化的需求，都形成了要求透过风扇控制来将噪音降到最低的趋势。这个趋势是让风扇避免以全速运转，只要以让CPU保持在安全作业极限内的最小速度运转就好了。

Intel的BTX（Balanced Technology Extended）架构提出了协调性极佳的热流传导策略。从前方来的冷空气会先通过CPU，再通过机箱，最后经由电源供应器风扇或出风口排出。 BTX采用四线风扇，它的早期版本在风扇中安置了一个热敏电阻（thermistor）来感测流入空气的温度。这个系统会依据它对系统需求的分析而降低风速，比方说，当流入温度是35?C，风扇被下达命令要以80％的工作周期来运转时，它就会以80％来工作；如果流入温度只有30?C，工作周期会下降到60％。 Intel已定义BTX所需要的特性，以及风扇速度必须如何调降来因应。这是一个在技术上相当复杂的解决方案，对于成本的影响冲击确实不小。 (图四)显示的是气流设计符合BTX规范的一个案例。

《图四 BTX在许多重要的区域提供平行的空气流动》

从风扇的角度来看，这个方案相当昂贵。此外，差不多需要二磅的铜材质（不是铝材质）的散热槽（heatsink）来移除热量。这种结合对流与传导的冷却方式必须能达到理想的热流动功能，从这一点看起来，这种冷却系统是在有足够容量的条件下建置的，而且已从既有的单位中省下了相当大的成本。对于可携式设计来说，增加的散热片重量是无法接受的，所以还有其他的替代性散热技术被使用，请参考(图五)。不过，若从控制的观点来看，用在桌上型应用的愈先进风扇噪音降低解决方案（例如在图三中所显示的），也同样适用于可携式的产品。

《图五 笔记本电脑热量导流模型》

先进的速度控制

当一个系统被要求做到安静运作的设计时，有许多不同的设计选择就会出现。设计者可以选择一个非常有效率的刀锋设计风扇，散热槽贴着它来以低速气流移除从CPU处产生的大量热能。不过，当CPU的温度显示需要更快的冷却时，这个系统要能快速的反应。 (图六)显示各个热点处于空气流通状况极佳的一套散热设计。

《图六 计算机中的散热示意图，它显示了高温区域及空气流动的路径》

结论

当Intel的BTX平台被提出后，就出现了控制整个机箱的设计转移态势。 Intel 的先进速度控制（Advanced Speed​​ Control；ACS）中，在机箱中有一个智慧性的中心来监控所有的温度、检验它的风扇来源、评估该以何种速度来执行风扇的运转，以及如何依多组输入值来进行决定。

以一个不知道电源供应器现况资讯、只知道处理器或其他地方温度的主机板上的风扇控制器来控制全局的作法已无法被接受，新的风扇速度控制必须要知道晶片组中每一个晶片、处理器、记忆体控制器和I/O控制器的温度，因为它们都会产生高热。这个系统也需要透过机壳建置时操作的特性化程序来知道，当每个风扇以全速运转、CPU在闲置与全速运作时的状况，以及此时对于每个风扇的冲击影响；也该知道每个风扇在全速运转时产生多少d​​BA的特性，以及ACS该如何决定出一套造成最小噪音冲击的风扇组合。

当投入更大的心力去思考噪音的冲击、并愿意为这些状况的改善做些事情时，将可证明这是非常有效率的一种作法。 （作者为Andigilog产品应用工程师）

＜下期预告：本系列将介绍如何从桌上型电脑及可携式电脑中移除热量及减低噪音的技术原理及解决方案，接下来的系列将陆续介绍：温度量测、做为System Health Bus的SST、PECI和CPU数位温度计、智慧型系统控制、电源供应器中的SST以及智慧型风扇，敬请期待。 ＞

延 伸 阅 读

无刷直流电降温风扇在电脑和其他电子设备中的应用越来越普及，设备设计人员也因而面临更多新的问题与挑战，其中之一就是要解决风扇启动和关闭时的电源超载问题。在一般情况下，降温风扇的电流大约是在0.5A～1.5A之间，然而，风扇启动和关闭时的电流却会增加4～6倍。 。相关介绍请见「无刷直流电风扇的电流控制设计」一文。 Murata 热敏电阻的准确率在25°C时为1％，整体准确性取决于：ADC 的解析度、ADC的误差（增益、偏移及线性或合称TUE）、补偿表的解析度。你可在「用于手提式系统的小型温度传感器」一文中得到进一步的介绍。 近年来，由于网际网路（Internet）的盛行，对电脑系统厂商而言，将会产生重大的变革，PC 将由过去强调运算速度、存取容量的需求转变成纯粹上网的装置（Internet Appliance），这种将PC视为终端（Terminal）的架构，自然而然让伺服器（Server）扮演内部系统管理、资料存取、外部连结等重要角色。在「CAE在高阶伺服器热传分析的应用与散热设计－硬碟存取装置的热传特性评估」一文为你做了相关的评析。

市场动态

Supertex发布新款整合驱动器和脉宽调变（PWM）风扇速度控制器。这种HV7100型控制器IC的输入电压范围达到16V到90V，因而适用于效率更高的伺服器和电信领域的24V和48V系统。相关介绍请见「Supertex的PWM风扇速度控制器IC有较宽的输入电压范围」一文。 Microchip Technology的冷却风扇速度控制器（cooling-fan speed controller）家族，可在PWM模式下工作，以配合无刷直流风扇。为了控制利用PWM波形工作周期的风扇速度，可以使用外部负温度系数（negative-temperature-coefficient；NTC）热敏电阻或PIC微控制器及其SMBus串列资料汇流排。你可在「在易受电磁干扰的电路中使用 PWM 风扇控制器」一文中得到进一步的介绍。 Andigilog发表Andigilog ThermalEdge技术，能为电脑子系统提供精确温度感测、精准系统控制以及风扇噪音和散热管理。 Andigilog将开始供应两颗采用ThermalEdge技术的样品元件给桌上型电脑、笔记型电脑和其它电脑系统。在「Andigilog Thermal Edge技术利用智慧型热管理解决方案让电脑散热更好」一文为你做了相关的评析。