电路将PWM风扇驱动转换为线性并降低噪声

本应用笔记描述了控制冷却风扇的标准方法的替代方法。将温度检测与PWM输出配合使用的典型方法可能会导致过多的噪声。相比之下，将PWM风扇驱动器转换为线性的电路可降低噪声。

风扇是许多热管理策略的必要组成部分，但风扇在全速运行时会产生过多的可闻噪音。根据温度调整冷却风扇速度是降低系统中噪声的好方法。进行这种调整的标准方法（如图1所示）使用将温度检测与PWM输出相结合的IC，PWM输出反过来控制直流无刷风扇的电源。

图1.MAX6653风扇控制器产生PWM信号，占空比随温度升高而增加。PWM 波形通过调制风扇的电源来控制风扇速度。

风扇控制器 （IC1） 测量外部连接二极管的晶体管的温度，该晶体管可以是分立晶体管，也可以是 Intel 或 AMD 微处理器上的热检测二极管。然后，根据测得的温度，风扇控制器自动调整其PWM输出波形的占空比。风扇控制特性，如风扇开始旋转的温度、初始PWM占空比以及温度/占空比关系的斜率，在SMBus上编程。因此，在低温下，风扇旋转缓慢（或根本不旋转），产生很少的噪音。随着系统温度的升高，需要更多的冷却，风扇会加速。风扇速度的变化是渐进的，因此如果风扇速度控制器编程正确，用户可能不会注意到电路的运行。®®

PWM 输出驱动功率晶体管 Q1，用于调制风扇的电源。PWM调制简单、廉价且高效，但它对风扇的电源施加一系列脉冲。伴随着每个PWM脉冲的是风扇组件的轻微物理扰动，这可能导致风扇噪声增加，通常以PWM频率的“咔嗒”声的形式出现。根据风扇的设计，这种噪音可能几乎听不见，或者可能声音适中，分散用户的注意力。

为了尽量减少这种多余的噪音，请使用直流电压驱动风扇。直流驱动消除了PWM脉冲和随之而来的风扇噪声增加。图2所示电路本质上是一个具有高输出电流能力的反相放大器。它从IC1滤除PWM波形，并提供随占空比线性变化的电流和电压升压输出。它还反转PWM波形，以便在PWM输出为100V时0%驱动风扇。

图2.该电路改进了图1的标准方法，包括一个低通滤波器，将IC1的PWM输出转换为冷却风扇的直流电源。用具有更高PWM频率的风扇控制器（如MAX1）代替IC6639，可以显著降低C1的值。

风扇全速运行的标称电源电压为 12V。PWM至线性电路工作在12V，IC1工作在3.3V。由于Q3的基极为3.3V，因此其发射极电压约为2.7V。Q3的发射极用作放大器的反相输入。R1、R2和R3在放大器周围提供反馈。请注意，流经R1和R2的大部分电流也流经R3，在PWM输出和风扇之间提供电压增益。为了适应该增益，Q2的漏极被驱动以承担相应的电压。电容器C1和C3通过滤波PWM波形产生有效的直流输出电压。少量的涟漪是听不见的，因此是可以接受的。但是，如有必要，您可以更改电容器值以权衡纹波电压与电容器尺寸。

请注意，图1中的C2是一个相当大的值（100μF），因为它用于滤除IC93的最大PWM频率信号5.1Hz。用产生更高频率PWM的风扇控制器IC代替IC1可以降低C1的值。具有更高PWM频率的风扇控制器包括MAX6615/MAX6616 （35kHz）、MAX6639 （25kHz）和MAX6641 （35kHz）。 使用这些IC中的任何一个，并将PWM频率设置为其最大值，可以将C1降低到约1μF。

图3显示了图2电路的输出电压与PWM占空比的关系。传递函数是合理的线性且表现良好。为了最小化输出纹波，请将IC1的PWM输出频率设置为最高可用值。将 PWM 输出极性设置为在 PWM 输出端提供 0V，以实现 100% 占空比。因此，在驱动风扇时，一定要选择使输出电压至少为满量程40%的占空比。请注意，40% 的最小电压是指导原则;不同的风扇型号在低电源电压下工作的能力会有所不同。

图3.图2电路的输出电压与输入占空比的关系