一種散熱風扇智能控制器電路的設計

肖詩達，駱訓衛，俱強偉

（同方電子科技有限公司，江西 九江 332002）

0 引 言

風扇控制器是由控制風扇轉停的電路等元器件構成，其核心是通信電源內部溫度采樣電路、風扇轉停控制電路等。控制電路根據兩檔溫度分別控制兩個散熱風扇的轉停，控制器所用器件價格低廉、工作可靠，能避免通信電源開機時風扇一直轉以及不必要的功耗與噪聲的產生，從而減小了電源的啟動電流，降低整機功耗，提高了整機效率。

傳統散熱方式常采用風扇直接與電源連接，不受溫度控制，即電風扇接通電源后一直轉，會有不必要的功耗和噪聲產生；現在的散熱方式還包括采用溫度傳感器與微機程序實現對風扇進行溫控，但這種方式需要提供3.3 V/5 V的微機工作電源、溫度傳感器和微機等成本昂貴的元器件。本文采用純硬件電路控制散熱風扇轉停，即通過溫度繼電器來控制PMOS管通斷，實現對散熱風扇轉停的控制。該風扇控制器還具有工作穩定、可靠、溫控性能好等優點。

1 風扇控制電路結構

圖1為散熱風扇智能控制電路的結構框圖。在風扇智能控制電路中，主要包含溫度繼電器、PMOS管、阻容、輸出48 V的通信電源等器件。溫度繼電器使用常閉溫度繼電器，當檢測到通信電源內部溫度達到繼電器開路溫度時，溫度繼電器由常閉變化為開路，使PMOS管門極G極拉低而導通，從而使通信電源與散熱風扇導通，散熱風扇開始轉動，起到換氣降溫功能，讓通信電源內部溫度下降；當檢測到通信電源內部溫度達到繼電器的常閉溫度時，該風扇控制電路中PMOS管斷開，散熱風扇停止轉動，起到減少功耗和降低噪音功能。

圖1 風扇智能控制電路結構

2 風扇智能控制電路設計

2.1 設計條件

通信電源輸出電壓：直流48 V；風扇工作電壓：直流48 V；溫度繼電器檔位：40 ℃、60℃。

工作方式：溫度為0～40 ℃時，兩個風扇靜止均不轉；溫度為40～60 ℃時，1號風扇轉，2號風扇不轉；溫度大于60 ℃時，兩風扇均轉動；溫度從60 ℃降低為40 ℃時，1號風扇轉動，2號風扇不轉動。風扇智能控制電路工作流程如圖2所示。

圖2 風扇智能控制電路工作流程

2.2 設計過程

2.2.1 風扇控制電路設計

風扇控制電路原理如圖3所示，當通信電源內部溫度低于40 ℃時，K、K常閉，三極管V、V基極電壓拉低截止，PMOS管V、V門極拉高不導通，散熱風扇1、2均靜止不動；當通信電源內部溫度介于40～60 ℃范圍內時，K由常閉變為開路，V基極電壓拉高導通，V門極拉低導通，散熱風扇1開始轉動，散熱風扇2靜止不動；當通信電源內部溫度大于60 ℃時，K由常閉變為開路，V基極電壓拉高導通，V門極拉低導通，散熱風扇2開始轉動，散熱風扇1仍在轉動；當溫度降為41～60 ℃范圍內時散熱風扇1、2依舊在轉；當溫度降為K的開路溫度40 ℃及以下、K的開路溫度在25 ℃及以上范圍內時，K開路變為常閉，散熱風扇2停止轉動，散熱風扇1仍在轉動；當溫度降為K的恢復溫度25 ℃及以下時，散熱風扇1、2均靜止不動，從而起到智能降溫作用。

圖3 風扇智能控制電路

2.2.2 風扇控制電路仿真

風扇控制電路Saber仿真電路如圖4所示，圖中v_pulse模擬圖3中的溫度繼電器K、K，因此圖3中的、在圖4中均斷開；圖3中的風扇在圖4中用685 Ω電阻替代。圖4中網絡點K、K表示溫度繼電器對地的電壓；I_v2和I_v4為三極管導通時發射極的電流。三極管飽和導通時I_v2和I_v4均不為零，此時PMOS管斷開；三極管斷開時I_v2和I_v4均為零，此時PMOS管導通，從而實現對散熱風扇轉停的控制。

圖4 風扇控制電路Saber仿真電路

2.2.3 風扇控制電路仿真波形分析

風扇控制電路仿真波形如圖5所示，圖中“@48V”是通信電源輸出電壓波形，k是模擬溫度繼電器1對地電壓波形，k是模擬溫度繼電器2對地電壓波形，I_fan1是模擬通過散熱風扇1的電流波形，I_fan2是模擬通過散熱風扇2的電流波形。圖中橫軸表示時間，縱軸表示幅值（電壓值/電流值）。在0 s時刻，通信電源內部溫度剛達到40 ℃，40 ℃的常閉溫度繼電器1變為開路，K對地輸出高電平，散熱風扇1開始轉動。在1 s時刻，通信電源內部溫度繼續上升達到60 ℃，60 ℃的常閉溫度繼電器2變為開路，K對地輸出高電平，散熱風扇2開始轉動。在2 s時刻，通信電源內部溫度下降到25 ℃，達到了兩個常閉溫度繼電器閉合溫度，因此常閉溫度繼電器均由開路又變為閉合，K、K對地輸出低電平，散熱風扇均停止轉動。當通信電源內部溫度再次達到40 ℃或者60 ℃時，會再次循環出現與圖5中0～3 s范圍內相同的波形。

圖5 風扇控制電路仿真波形

3 風扇控制電路測試驗證

為了驗證風扇智能散熱控制電路的功能，利用Altium Designer Release 10軟件制作PCB板，在PCB板上焊接元器件，制作出帶元器件的PCB板。在PCB板輸入側加48 V電源，常溫25 ℃時，散熱風扇1和散熱風扇2均不轉動；然后加電開通熱風槍模擬通信電源內部溫度，并用萬用表測量PCB上兩溫度繼電器的溫度，如圖6所示，當萬用表指示40 ℃時，可以發現散熱風扇1開始轉動。

圖6 散熱風扇1開始轉動圖

當熱風槍繼續對兩溫度繼電器吹，如圖7所示，通過萬用表讀到60 ℃時，散熱風扇2也開始轉動。然后將熱風槍斷電，撤走熱風槍，如圖8所示，通過萬用表可以看到兩溫度繼電器的溫度逐漸下降，當溫度降至25 ℃時，散熱風扇1和散熱風扇2均停止轉動。

圖7 散熱風扇2開始轉動圖

圖8 散熱風扇1和散熱風扇2停轉圖

4 結 語

本文首先闡述風扇控制電路設計原理；根據通信電源內部溫度的變化，觸發兩個不同溫度繼電器通斷狀態，給出了控制電路工作流程。然后在Saber仿真軟件中搭建該控制電路并仿真，通過仿真波形分析了通信電源內部溫度不同時對應的兩個溫度繼電器狀態和兩個散熱風扇的轉停狀態。最后還通過熱風槍對溫度繼電器加熱來模擬通信電源內部溫度，對該智能控制電路PCB板加電調試，觀察溫度繼電器在不同溫度時對應的散熱風扇的轉停狀態。

散熱風扇智能控制電路不僅可以用在通信電源中，還可以用在其他電子產品中，用來實現電子產品散熱功能。該控制電路元器件成本低廉、電路結構簡單，控制電路的48 V還可以改為24 V、12 V、5 V、3.3 V等常用直流電源；同時僅需更換散熱風扇的規格就能減少該電路單獨直流源的供應。通過加電測試驗證，表明了該電路具有工作穩定可靠、功耗低、智能散熱等優點。