PC风扇自启动恒流驱动电路的设计

     1 引言

　　每到夜深人静的时候家里PC 机风扇的噪声就非常响， 有时会发出刺耳的响声， 因此对PC 机的风扇电路进行了分析，发现其电路(图1)的PWM 信号直接驱动控制三极管， 虽经风扇供电用的大容量电解电容滤波， 但仍然存在客观的纹波电压， 使风扇不能转动平稳，杂信号较大。而且此电路在启动瞬间，有很大的启动电流，会对控制三极管造成很大的冲击。因此，产生了对PC 机的风扇电路进行改造的强烈愿望， 并进行了设计分析。由于PWM 信号来源于Super I /O， 为固定频率的PWM 数位信号， 占空比会随所感应之温度变化而变化， 温度越高， 占空比越大， 风扇速度越快。因此添加一个DAC 电路， 把PWM 数位信号通过积分和分压电路变成平滑的模拟信号; 利用自启动恒流线性驱动电路来控制通过CPU 风扇的电流，从而控制风扇的转速。新设计的电路主要具有启动电流小、自启动恒流线性驱动、风扇杂信号小等优点， 电路设计见图2 。

图1 原 CPU FAN 驱动电路

图2 自启动恒流驱动电路

　　2 DC 风扇自启动恒流驱动电路原理分析

　　2.1 DAC 转换网络

　　DAC 转换网络由R1、C1、R2 和R3 组成。其中R1和C1 构成D/A 转换器，它是将输入的PWM 数位信号通过积分转换为平滑的模拟信号，R2 和R3 构成分压电路，根据不同的风扇规格，可以调整R2 和R3 的阻值来选择合适的电压。

　　2.2 自启动恒流驱动网络

　　这部分电路由放大器、三极管、R4、R5 和D1 组成。其中R4 的作用是限流，Q1 是用来控制流过风扇的电流。如果PWM 的占空比为0(即放大器的V+ 端输入电压为0) ，放大器输出电压很低。此时可以通过D1 设置不同的启动电压，来调整风扇工作电压和转速，这就是自启动特性。当我们把PWM 的占空比增大时， 放大器的输出电压逐渐变大， 相当于基极电流增加，三极管集电极电流增加， 风扇转速加快， 因此可以通过改变PWM 的占空比来调整风扇的转速。R5 的作用是构成电流并联负反馈， 当通过风扇的电流增大时， 放大器的V- 端电压升高，放大器的输出端电压降低，因此通过三极管的电流又会减少，形成一个电流负反馈，如图4所示。放大器的V+ 和V- 端起阻抗匹配的作用。

图3 电流负反馈

图4 软启动延迟时间

　　2.3 软启动

　　软启动是用来阻止上电瞬间电源输入过大的电流的。因为这一电流会对控制三极管造成很大的冲击，在电路中， 此保护功能主要是由C2 来完成， 在上电瞬间，放大器的V+ 端由于电容的C2 的存在，对C2 开始充电，V+ 端电压从0 开始上升，在V+ 端电压上升到V- 端电压之前， 放大器的输出端电压很低， 三极管允许通过的电流很小。从而起到保护作用。一般软启动延时时间是2ms，见图4。

　　图中是通过Pspice10.0 transient analysis 的结果，A 代表放大器V+ 端上电时的电压变化，从图中可以看出软启动时间大约是2.5ms。

　　3 自启动恒流驱动电路的仿真与测试

　　3.1 软件仿真分析

　　按原电路设计的风扇在启动瞬间， 有很大的启动电流，对控制三极管造成很大的冲击。新设计的电路采用了软启动技术， 它的启动电流很小， 基本上接近于0， 完全可以避免大电流对三极管的冲击， 使电路可靠性提高。图5 是Pspice10.0 仿真比较。

( 5 - 1 )

( 5 - 2 )

图5 启动电流的仿真

　　上图中， (5 － 1) 为旧电路三极管电流瞬态分析， 从图中可以看出启动电流为1.2A，非常大。而(5-2)为新设计的电路，启动电流只有4mA，新电路的启动电流非常小基本上接近于0。这样能够保证三极管正常地安全地工作。

　　对于原电路来说，PWM 信号直接驱动控制三极管，虽然经过风扇供电用大容量的电解电容滤波，但仍然存在客观的纹波电压， 使风扇转动不平稳， 杂信较大。而新设计的电路采用了D/A 转换电路，它首先将PWM 数位信号转换为平滑的模拟信号， 驱动部分为纯直流驱动，所以风扇工作电压达到0 纹波的理想境界，风扇转动平稳，杂信小，转速信号容易抓取，无干扰。上板测量结果见图6 所示。

　　原电路的纹波电压， 峰值1 6 2 mV 新电路的纹波电压， 接近于0。

图6 纹波电压测量

　　3.2 自启动的测试

　　在原电路中，由于PWM 的占空比很小，所以常常出现风扇转速很低甚至停转的现象。而对于新设计的电路， 采用了自启动， 通过D1 设置不同的启动电压， 来调整风扇工作电压和转速， 通过实物调试， 当PWM 的输入端占空比为0 时，风扇仍然能够旋转，这就是新电路独特的自启动技术。

　　4 结束语

　　综上所述，本文提出的风扇自启动恒流驱动技术，具有启动电流小， 风扇电压纹波小， 自启动特性好等优点，克服了原电路所存在的启动电流大，杂信大， 风扇容易出现转速低的现象，具有较高的实用价值。