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211、985硕士，从业16年+
从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。
熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件，解决问题与验证方案设计，十多年技术培训经验。
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本期给大家带来的是关于电子产品风扇调速策略研究内容，希望对大家有帮助。
前面，我们有文章分享了关于电子产品风扇的基础知识
电子产品中风扇的基础知识：构造、仿真参数、串并联、噪音与选型建议（纯干货建议小白收藏！）
实际项目中，对电子产品热管理要求相对比较苛刻的情况，对风扇噪声、使用寿命要求比较高的产品，比如笔记本、VR等设备，一般会采用支持调速控制的风扇。
某厂PWM脉冲信号控制四线风扇
其基本工作原理是：四根线中，有两根为正负极一根为信号输出线，最后一根为信号输入线。四线风扇是通过产生PWM脉冲信号控制风扇转速，不同的占空比对应不同的转速。控速较为精准，且可以实时读取当前风扇转速。
接下来，从调速控制的步骤、温度感应检测点布局、实例等几个方面进行说明。
1.目标控速步骤
1)结合产品要求，确定温控策略(环境温度控制转速，或者芯片温度控制转速)，并划分温度区间范围和风扇的转速档位；
环境温度控制转速：测试不同环境温度下对应的可解决设备散热的风扇转速和此时温度传感器的读数，记录下来，作为算法输入数据；
芯片温度控制转速：根据产品在不同环境温度下的噪音要求，测试对应的芯片温度和风扇转速，作为算法输入数据；
2)根据第1步获得的测试数据，协同软件工程师，将算法写入操作系统；
3)复测算法:
环境温度控制转速：改变环境温度，验证是否满足要求；
芯片温度控制转速：改变环境温度，或更换负载来改变芯片温度，验证是否满足要求
风扇速度调控步骤流程图
2.温度感应布局
1）芯片内置温感：内置于芯片内部，无需设置。在选择参考温度时，推荐选择散热风险最高芯片的温感度数作为风扇调速依据;
2)PCB环境温感：用于测量单板上局部环境温度，放置在被其它元器件影响的最小区域，一般为设备入风口处；
3)芯片周围温感：用于间接反映芯片温度，放置在芯片下风口处，距离5mm以内比较合适;
4)可插拔式环境温感：侦测温点放置在风速较大、不受其它元器件的温度影响，最能反馈局部环境空气温度的位置，如下图示意图所示，
某服务器内部元器件布局VS温感点设定
3.温度测试与转速对应关系
以某电子产品散热设计为例，假设其工作温度范围为-5℃~40℃，强迫风冷设计。
在考虑使用风扇转速调控策略时，需要考虑其工作的环境温度@25℃为参考基准。
首先，在PCB板上合适位置加置环境温度传感器（见上述2温度感应布局）；根据产品特点，将其工作温度范围划分区间，此处以25℃和40℃为上下界限，5℃为区间长度，划分5个区间（根据自己项目实际情况进行划分）：
然后，可通过实际测试或软件仿真：在上述各温度区间内，调整风扇转速，直至设备各元器件、表面等关键部分的散热表现合理，记录此时转速和温度传感器的结果。
测试结果中，风扇转速与温度监测值对应关系，如上表所示可作为算法设计输入。
4.风扇转速范围设定（Fan table）
有了输入之后，接下来根据如下步骤进行风扇转速范围与温度对应关系设定，即Fan table。
划分风扇档位；
设置合理的目标温度;
读取温感数值，计算实时数值与目标温度的差值；
根据差值，确定风扇转速调整范围。
以某笔记本散热设计，风扇转速与温度监测值对应关系，首先将风扇的转速分为五个档位，如下风扇转速档位划分表所示，
某笔记本散热风扇转速与温度监测值对应关系
根据温度感应侦测到的温度值，比如低于50℃时，此时元器件的温度相对较低，风扇可以关闭不工作，此时节省系统整体功耗，以及噪音。
当侦测到元器件温度，超过50℃时，风扇启动开始工作，当超过75℃时，达到满负荷运转，即风扇的最高转速，此时的噪音最大，风扇的寿命也会受影响。
所以，此设定表的最后有个保护机制，当超负荷运行时，由程序控制，自行关闭系统，减少设备过热、风扇长时间狂转的情况发生。
其实最终，都是让风扇以合适的转速，解决整体系统的散热，同时达到降低噪音和延长风扇使用寿命的目的。
上述介绍的控速策略、步骤过程中，难免会出现一些异常情况，核心在于侦测点、温度感应点的布局，是否能真正反馈了系统内部关键元器件的真实温度。
这也进一步导致风扇转速调控的复杂性。
比如，上述某笔记本风扇调速Fan table，在确定此表之前，我们需要做大量的仿真、或者测试来调整风扇转速范围、以及温度目标设定的关联。
在较为合理、理想环境下，风扇的转速和系统整体散热表现关联比较规律，但实际上，当风扇处于不同档位，提高相同百分比或者数值的档位，对系统整体散热能力的影响可能不一致。
鉴于此，风扇转速的调节需要使用相对更灵敏准确的算法。
在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。
它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。
其控制系统原理结构框图如下图所示，
PID控制系统原理结构框图
基于传统PID控制算法的响应曲线
在电子产品风扇控速中，PID调速算法的设计过程，一个相当复杂的过程，需要大量的测试数据作为参考。
所以，实际项目执行过程中，这部分得花很多精力来确认，不然给出的关系表不正确，后续的程序写进去也会导致很多返工。
当然，有时也可根据项目实际要求，对调速算法做适当简化，比如只用比例积分控制，或者比例微分控制等，在工作效率与方案效果方面做平衡。
