cpu風(fēng)扇的控制畢業(yè)設(shè)計_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  摘 要</b></p><p>  隨著社會的不斷發(fā)展,個人計算機(jī)(PC)飛速普及,進(jìn)入家家戶戶。同時,PC也是日新月異,各種功能、性能提高速度非??臁V靼迨荘C最基本的也是最重要的部件之一,它對于整個PC機(jī)的性能起著舉足輕重的作用。而CPU是主板的重要組成部分。主板上的CPU雖然只有火柴盒大小,但卻是一臺計算機(jī)的運算核心和控制核心。如果把計算機(jī)比作一個人,那

2、CPU就是大腦,所有的操作均由CPU發(fā)出,它是負(fù)責(zé)讀取指令、解碼指令與執(zhí)行命令的核心部件。其重要作用由此可見一斑。</p><p>  在計算機(jī)運行中,CPU散熱是一個重要環(huán)節(jié),其散熱性能的好壞直接關(guān)系到CPU的功耗與性能的好壞。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的散熱片加三線散熱風(fēng)扇已無法滿足需求。用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)智能調(diào)節(jié)控制CPU風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,使CPU溫度的上升與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增大在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系,這樣能在減少功

3、耗的同時降低CPU溫度。與傳統(tǒng)的CPU風(fēng)扇相比,智能風(fēng)扇能最大程度上實現(xiàn)無級變速,降低能量損耗,減少噪音。本文就是基于脈寬調(diào)制技術(shù)的CPU風(fēng)扇的控制與調(diào)節(jié)的有關(guān)內(nèi)容的設(shè)計。</p><p>  關(guān)鍵詞:CPU溫度;CPU風(fēng)扇;脈寬調(diào)制</p><p><b>  Abstract</b></p><p>  With the continuou

4、s development of the society, the computer almost has become very ordinary household electrical appliances. And with the popularization of the computer, the development of computers is also developing rapidly, and the va

5、rious functions and performance increase at a very fast rate. Motherboard is the biggest piece of circuit boards in computer, it plays an important role. However the CPU is an indispensable part of the motherboard, the C

6、PU just like a matchbox, but it is the ope</p><p>  In computer operation, the CPU heat is very important. Its thermal performance has a direct relationship to the CPU power consumption and the performance.

7、Along with the development of nanometer technology, traditional cooling slice three-pin cooling fans already cannot satisfy our demand. With pulse width modulation (PWM) technical intelligence adjustment CPU FAN speed, m

8、ake the CPU temperature rises and fan speed increases in a certain range of a linear relationship, this not only can reduce p</p><p>  Key words: Temperature of CPU; CPU FAN; PWM </p><p><b&

9、gt;  目 錄</b></p><p><b>  1 緒論1</b></p><p>  1.1CPU散熱技術(shù)發(fā)展動態(tài)1</p><p>  1.2傳統(tǒng)的CPU散熱存在的問題2</p><p>  1.3脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)在CPU散熱中的應(yīng)用2</p><p>

10、  2 計算機(jī)主板概述3</p><p>  2.1 計算機(jī)主板的組成3</p><p>  2.2 中央處理器(CPU)簡介4</p><p>  2.2.1 中央處理器(CPU)的功能4</p><p>  2.2.2 溫度對CPU的影響5</p><p>  3 CPU FAN的組成及特點

11、8</p><p>  3.1 CPU FAN概述8</p><p>  3.2 CPU FAN組成及工作原理9</p><p>  3.2.1 CPU FAN電機(jī)9</p><p>  3.2.2 霍爾傳感器10</p><p>  4 脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)概述13</p><

12、;p>  4.1 脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的由來與發(fā)展13</p><p>  4.2 脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的基本思想及工作原理14</p><p>  4.3 脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的優(yōu)點17</p><p>  5 脈寬調(diào)制技術(shù)控制CPU FAN的基本思想19</p><p>  5.1 PWM風(fēng)扇接口技術(shù)19&

13、lt;/p><p>  5.2 PWM溫控風(fēng)扇原理21</p><p>  6 CPU溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計24</p><p>  6.1 控制系統(tǒng)芯片介紹24</p><p>  6.1.1 BIOS芯片24</p><p>  6.1.2 SUPER I/O芯片26</p><p&

14、gt;  6.1.3 LB11961芯片29</p><p>  6.2 CPU溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)總體設(shè)計31</p><p>  6.2.1 CPU溫度監(jiān)測電路設(shè)計32</p><p>  6.2.2 MB溫度監(jiān)測電路設(shè)計33</p><p>  6.2.3 主板CPU FAN控制電路的設(shè)計33</p><

15、p>  6.2.4 CHA FAN控制電路的設(shè)計34</p><p>  6.2.5 電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計35</p><p>  6.2.6 CPU FAN內(nèi)部控制電路的設(shè)計36</p><p>  6.3 參數(shù)測量與計算37</p><p>  7 總結(jié)及展望44</p><p><b

16、>  參考文獻(xiàn)45</b></p><p><b>  致 謝46</b></p><p><b>  附 錄47</b></p><p><b>  1 緒論</b></p><p>  CPU散熱技術(shù)發(fā)展動態(tài)</p><p&g

17、t;  隨著社會的不斷發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步,電子和通訊行業(yè)也迅猛發(fā)展,各種電子產(chǎn)品不斷的出現(xiàn)和更新。在這個逐漸前進(jìn)的社會中,電腦幾乎成了家家戶戶必備電器。而隨著電腦的普及,電腦的發(fā)展也是日新月異,各種功能、性能提高速度非???。主板是電腦中最大的一塊電路板,它起著舉足輕重的作用,它不僅可以為CPU、內(nèi)存條、硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、聲卡和網(wǎng)卡等元件提供插槽或接口,還可以使其他外部設(shè)備通過主板上的I/O接口連接到電腦上。通過主板,電腦的其他外部設(shè)備

18、和內(nèi)部設(shè)備才可以各安其位,實現(xiàn)各自的功能[1]。目前國內(nèi)最常見的主板廠商有華碩、微星、技嘉和升技等。</p><p>  然而主機(jī)板上最重要的可以說是CPU,CPU是電腦系統(tǒng)的心臟,電腦特別是微型電腦的快速發(fā)展過程,實質(zhì)上就是CPU從低級向高級、從簡單向復(fù)雜發(fā)展的過程。CPU(Central Processing Unit)又叫中央處理器,其主要功能是進(jìn)行運算和邏輯運算,內(nèi)部結(jié)構(gòu)大概可以分為控制單元、算術(shù)邏輯單元

19、和存儲單元等幾個部分。目前生產(chǎn)CPU的廠商主要有Intel公司和AMD公司,其中Intel公司占有75%多的市場份額。</p><p>  在CPU還是486的那個年代,因為CPU集成晶體管數(shù)量并不多,所以其工作時的發(fā)熱量并不高,這也使得當(dāng)時人們并不在意這塊黑色金屬的存在,因為即便是長時間的使用也不會出現(xiàn)因CPU溫度過高而導(dǎo)致死機(jī)。當(dāng)時的散熱器為一片鋁制的散熱片,通過將CPU產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出散到空氣中來散熱。<

20、;/p><p>  隨著CPU功能日益強(qiáng)大,其產(chǎn)生的熱量也逐漸增多。從奔騰和奔騰Ⅱ開始算起,雖然鋁制散熱器依舊占主導(dǎo)地位,但是已經(jīng)有少數(shù)廠家開始用銅材質(zhì)散熱器。而此時的散熱器已經(jīng)開始需要風(fēng)扇,但隨之而來的噪音問題至今未能得到根治。</p><p>  因為架構(gòu)和制成的問題,CPU的頻率逐漸受到人們的關(guān)注。CPU的頻率變得越來越高。高頻率自然帶來了高的功耗和高的熱量。而當(dāng)時很多鋁制散熱器無法滿足

21、散熱需要,正是基于這種環(huán)境許多散熱器廠商紛紛誕生,可以說百家爭鳴或者是魚龍混雜,但是發(fā)展的方向都是一樣的,一是風(fēng)扇的軸承技術(shù),另一個則是散熱片的加工工藝。在散熱工藝方面,例如折葉、鑄造、插齒、回流焊,壓固等工藝數(shù)不勝數(shù)。特別是在奔騰四的那個年代,CPU的功耗都在100W左右。與此同時,一些全銅搭配熱管的散熱器和水冷散熱器的出現(xiàn)也搶去了風(fēng)冷散熱器不少風(fēng)頭,但它們動輒成百上千元的價格還是不能普及,生活在水深火熱之中的用戶們苦不堪言。<

22、/p><p>  CPU散熱技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段,除了風(fēng)冷散熱外,還有熱導(dǎo)管,液冷散熱器等。</p><p>  傳統(tǒng)的CPU散熱存在的問題</p><p>  現(xiàn)階段CPU散熱技術(shù)可謂多種多樣,但都存在著一些問題。486時代的散熱片屬于被動散熱,結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉。但散熱遲鈍,效果不好。只適用于低功耗的CPU。一旦CPU溫度過高,它將無法很快地散熱。</p>

23、<p>  CPU風(fēng)扇的出現(xiàn)解決了這一問題。在散熱片上搭配一個風(fēng)扇能有效解決單純使用散熱片的缺點。其中散熱片起到導(dǎo)熱的作用,吸收CPU工作產(chǎn)生的熱量,再由風(fēng)扇幫助散熱。然而,添加了風(fēng)扇就自然要為它提供電源,風(fēng)扇工作時必然會產(chǎn)生噪音。隨之而來的就是能源損耗和噪音問題。且風(fēng)扇不同于散熱片,它是有壽命的。隨著使用年限的增加,噪音越來越大,耗能也越來越多。</p><p>  隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了溫控風(fēng)

24、扇。溫控風(fēng)扇的出現(xiàn)能在一定限度上解決風(fēng)扇的耗能和噪音問題。但傳統(tǒng)的溫控風(fēng)扇是利用風(fēng)扇軸承附近的測溫探頭偵測風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口溫度,從而對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種溫控雖然解決了一定的問題,但是存在著精度粗糙,而且溫控的轉(zhuǎn)速只能做到高速低速兩極變速。所以CPU溫度的調(diào)節(jié)是一個很重要的環(huán)節(jié),對于CPU的性能和主板的性能都有很重要作用,可以說也是電腦的發(fā)展道路上一個重要參數(shù)。</p><p>  脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)在CPU

25、散熱中的應(yīng)用</p><p>  隨著CPU技術(shù)的發(fā)展,更多的晶體管和更高的主頻,以及納米級的工藝,都造成了CPU功率的飆升。尤其是第一個走進(jìn)90納米的Intel。更高的功率,就需要更好的散熱設(shè)備。Intel為了對付Prescott核心,開始從多方面加強(qiáng)散熱,比如38度機(jī)箱,比如BTX,比如9CM風(fēng)扇的主流應(yīng)用,其中PWM技術(shù),是最重要的技術(shù)之一。</p><p>  新一代的LGA775

26、主板將會改用全新的4pin接口散熱器。新的4pin接口將提供PWM風(fēng)扇轉(zhuǎn)速模組,新一代PWM模組采用以電源的頻率范圍來調(diào)整其功率,而沒有采用較為常見的減少電壓方式,令風(fēng)扇不會因為經(jīng)常改變電壓而損壞。在很多i915/i925X主板來看,未來風(fēng)扇的接口將逐漸從3pin向4pin轉(zhuǎn)變。當(dāng)然,并不是說3pin接口的風(fēng)扇不能用于4pin接口,4pin風(fēng)扇的仍保持著向下兼容模式,只要插前三個針角就可以當(dāng)一個3pin風(fēng)扇用。</p>

27、<p>  PWM是脈寬調(diào)制電路的簡稱,它本身并不是一個新技術(shù),在工業(yè)控制,單片機(jī)上早已經(jīng)廣泛的應(yīng)用。而Intel將他和主板的CPU溫度偵測相結(jié)合,將其應(yīng)用于散熱器風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速精確控制上,取得了良好的效果。</p><p>  2 計算機(jī)主板概述</p><p>  2.1 計算機(jī)主板的組成</p><p>  主板,英文縮寫為MB,又叫主機(jī)板(Main

28、board)、系統(tǒng)板(Systemboard)或是叫母板(Motherboard);它安裝在機(jī)箱內(nèi),是微機(jī)最基本的也是最重要的部件之一。 主板一般為矩形電路板,上面安裝了組成計算機(jī)的主要電路系統(tǒng),一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、鍵盤和面板控制開關(guān)接口、指示燈插接件、擴(kuò)充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。主板采用了開放式結(jié)構(gòu)。主板上大都有6到8個擴(kuò)展插槽,供PC機(jī)外圍設(shè)備的控制卡(適配器)插接。通過更換這些插卡,可以對微機(jī)的

29、相應(yīng)子系統(tǒng)進(jìn)行局部升級,使廠家和用戶在配置機(jī)型方面有更大的靈活性。在主板各種外圍設(shè)備中,其中硬盤、內(nèi)存,顯卡,光驅(qū)等等扮演著重要角色。</p><p>  在主板上,有著很多重要的芯片,例如BIOS,Chipset,SUPER I/O,RAID控制芯片等。</p><p>  BIOS,是一塊方塊狀的存儲器,里面存有與該主板搭配的基本輸入輸出系統(tǒng)程序。能夠讓主板識別各種硬件,還可以設(shè)置引導(dǎo)

30、系統(tǒng)的設(shè)備,調(diào)整CPU外頻,改變CPU報警溫度等。BIOS芯片是可以寫入的,這方便用戶更新BIOS的版本,以獲取更好的性能及對電腦最新硬件的支持。當(dāng)然,不利的一面便是會讓主板遭受諸如CIH病毒的襲擊。</p><p>  Chipset,芯片組,包括北橋和南橋。在最新的主板中 Intel的北橋已經(jīng)整合到CPU當(dāng)中。Chipset幾乎決定著主板的全部功能,其中CPU的類型、主板的系統(tǒng)總線頻率,內(nèi)存類型、容量和性能,

31、顯卡插槽規(guī)格是由芯片組中的北橋芯片決定的;而擴(kuò)展槽的種類與數(shù)量、擴(kuò)展接口的類型和數(shù)量(如USB2.0/1.1,IEEE1394,串口,并口,筆記本的VGA輸出接口)等,是由芯片組的南橋決定的。還有些芯片組由于納入了3D加速顯示(集成顯示芯片)、AC97聲音解碼等功能,還決定著計算機(jī)系統(tǒng)的顯示性能和音頻播放性能等。</p><p>  SUPER I/O,也叫IO芯片。在南橋這樣的高速設(shè)備和串行、并行接口、軟盤驅(qū)動

32、器及鍵盤鼠標(biāo)等大量低速設(shè)備之間必定存在資源的不匹配,而需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換和管理。而Super I/O芯片則完成了該功能。</p><p>  主板為外界提供了眾多擴(kuò)展槽和對外接口。如CPU,內(nèi)存,AGP,PCI Express等插槽和硬盤,COM,PS/2,USB等接口[1]。主板基本架構(gòu)圖如圖2.1所示:</p><p>  圖2.1 主板基本架構(gòu)圖</p><p> 

33、 2.2 中央處理器(CPU)簡介</p><p>  2.2.1 中央處理器(CPU)的功能</p><p>  中央處理器簡稱CPU(Central Processing Unit),它是計算機(jī)中最重要的一個部分,由運算器和控制器組成,計算機(jī)各部件的運作均由CPU來協(xié)調(diào)與控制有效地進(jìn)行著。不管什么樣的CPU,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)歸納起來可以分為控制單元、邏輯單元和存儲單元三大部分,這三個部分

34、之間相互協(xié)調(diào),便可以進(jìn)行分析、判斷、運算并控制計算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作。</p><p>  控制單元:正如工廠的物流分配部門,控制單元是整個CPU的指揮控制中心,由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)三個部件組成,對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶預(yù)先編好的程序,依次從

35、存儲器中取出各條指令,放在指令寄存器IR中,通過指令譯碼(分析)確定應(yīng)該進(jìn)行什么操作,然后通過操作控制器OC,按確定的時序,向相應(yīng)的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。</p><p>  算術(shù)邏輯單元:簡稱ALU(Arithmetic Logic Unit),是運算器的核心。它是以全加器為基礎(chǔ),輔之以移位寄存器及相應(yīng)控制邏輯組合

36、而成的電路,在控制信號的作用下可完成加、減、乘、除四則運算和各種邏輯運算。就像剛才提到的,這里就相當(dāng)于工廠中的生產(chǎn)線,負(fù)責(zé)運算數(shù)據(jù)。</p><p>  存儲單元:在CPU中存儲單元是寄存器組,簡稱RS(Register Set或Registers)。RS實質(zhì)上是CPU中暫時存放數(shù)據(jù)的地方,里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù),或已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù),CPU訪問寄存器所用的時間要比訪問內(nèi)存的時間短。采用寄存器,可以減少CPU

37、訪問內(nèi)存的次數(shù),從而提高了CPU的工作速度。但因為受到芯片面積和集成度所限,寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的作用是固定的,分別寄存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途。通用寄存器的數(shù)目因微處理器而異[1]。</p><p>  除了控制、邏輯、存儲三大部分外,總線Bus在CPU中亦占著重要地位。就像工廠中各部位之間的聯(lián)系渠道,總線實際上是一組導(dǎo)線,是各

38、種公共信號線的集合,用于作為電腦中所有各組成部分傳輸信息共同使用的“公路”。直接和CPU相連的總線可稱為局部總線。其中包括:數(shù)據(jù)總線DB(Data Bus)、地址總線AB(Address Bus) 、控制總線CB(Control Bus)。其中,數(shù)據(jù)總線用來傳輸數(shù)據(jù)信息;地址總線用于傳送CPU發(fā)出的地址信息;控制總線用來傳送控制信號、時序信號和狀態(tài)信息等。</p><p>  2.2.2 溫度對CPU的影響&l

39、t;/p><p>  CPU的功耗(發(fā)熱量)由靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩部分組成[1]。靜態(tài)功耗是因為漏電流引起的。由式2.1</p><p><b>  (2.1)</b></p><p>  可知,在芯片等效電阻R不變的情況下,功耗P與電壓U的2次方成正比,降低供電電壓可以極大地降低靜態(tài)功耗。所以這些年來芯片工作電壓從5V降到3.3V,甚至降到目前的

40、1V以下。我們當(dāng)然希望這個數(shù)值進(jìn)一步降低,但如果沒有k值更高的柵極材料,就無法保證在低電壓下完成晶體管開啟和關(guān)閉動作。所以,降低電壓的手段畢竟還是有限的。而且由于微處理器內(nèi)集成的晶體管數(shù)量的按摩爾定律逐年增加,眾多晶體管并聯(lián)后使得等效電阻值不斷減少,集成電路內(nèi)層與層之間的絕緣層變薄也使得層間泄漏電流增加,所以微處理器的靜態(tài)功耗一直趨于上升態(tài)勢。CPU的尺寸與其功耗的關(guān)系如圖2.2所示:</p><p>  圖2.

41、2 CPU尺寸與其功耗的關(guān)系</p><p>  由此可見,在靜態(tài)功耗不可動態(tài)調(diào)節(jié)外,動態(tài)功耗是影響和調(diào)節(jié)CPU溫度的重要因素所在。溫度是外部影響CPU性能的一大因素。CPU高溫輕則會引起計算機(jī)自動重啟,長期這樣引起CPU的過快老化;過重會瞬間損壞電腦,把CPU燒壞。 </p><p>  芯片的動態(tài)功耗計算式如式2.2所示:</p><p><b&g

42、t; ?。?.2)</b></p><p>  其中C表示電路負(fù)載大小,U表示供電電壓,f為工作頻率??梢奻與芯片的動態(tài)功耗成正比,頻率越高則消耗的功率也越高。而處理器(CPU)性能為主頻IPC的乘積,IPC就是每個時鐘周期內(nèi)可以執(zhí)行的指令數(shù)(IPC: Instruction Per Clock)。由上可知,高溫會影響CPU的工作頻率,從而導(dǎo)致CPU性能的下降。</p><p>

43、;  曾有一研究Intel P4核心溫度對CPU性能的影響,選用的測試軟件是CPU RightMark 2 RC3。這項基準(zhǔn)可以實時顯示CPU性能并可以記錄下性能數(shù)據(jù)變化曲線即使當(dāng)性能在試驗過程中是呈下降趨勢的。在CPU RightMark軟件中的曲線圖變化太過迅速,為了使用CPU RightMark來監(jiān)測Pentium 4處理器的性能的衰減過程,必須快速的升高CPU溫度,但是不能超過臨界點。CPU風(fēng)扇不能直接摘除,否則溫度會飛快的上升

44、并超過臨界值,而熱量控制電路將立即削減CPU的性能,于是我們設(shè)計出另一種方案來“加熱”CPU:將CPU風(fēng)扇關(guān)閉。這樣一來,CPU的溫度上升速度足夠滿足RightMark 顯示基準(zhǔn)測試數(shù)據(jù),但是又不至于快的使系統(tǒng)馬上死機(jī)。結(jié)果得到了圖2.3所示的性能變化曲線圖。 </p><p>  圖2.3 CPU溫度與性能之間的關(guān)系</p><p>  由上面的曲線圖看出,在一定溫度下,CPU性能不

45、會隨CPU溫度的下降而降低,而超過一定溫度時熱量控制電路開始降低CPU的性能,但是之后某段時間當(dāng)溫度繼續(xù)上升,但CPU性能卻保持在同一個數(shù)值。之后,我們重新開動CPU風(fēng)扇來降溫以避免CPU宕機(jī),而CPU性能隨之回升到其最初的級別。由此,當(dāng)CPU溫度超過一定時,熱量控制電路會犧牲CPU性能而保護(hù)CPU不被燒壞。而CPU風(fēng)扇的散熱性能好壞對CPU性能有著直接影響。</p><p>  電子器件的工作溫度直接決定其使用

46、壽命和穩(wěn)定性。要讓CPU的工作溫度保持在合理的范圍內(nèi),出了保證CPU工作環(huán)境的溫度在合理范圍內(nèi)之外,還必須要對其進(jìn)行散熱處理。尤其對CPU而言,如果用戶進(jìn)行了超頻,要保證其穩(wěn)定地工作更必須有效地散熱。通常,散熱性能不好的原因涉及到很多因素。例如散熱器本身散熱效率不夠,散熱片和風(fēng)扇上灰塵太多影響散熱效率,風(fēng)扇老化或者轉(zhuǎn)數(shù)不夠,導(dǎo)熱硅脂變干、老化或者涂抹太厚,機(jī)箱風(fēng)道不暢通,機(jī)箱內(nèi)部熱氣不能時排出至機(jī)箱外等等方面。</p>&

47、lt;p>  通常,在開機(jī)那一刻,風(fēng)扇會全速運轉(zhuǎn),接著減速到正常速度(在BIOS里可設(shè)置),風(fēng)扇會維持這種狀態(tài)直到CPU溫度達(dá)到預(yù)警溫度才會全速運轉(zhuǎn)??梢钥吹?,這種模式不利于CPU充分發(fā)揮效率,于是,提出了微調(diào)控CPU風(fēng)扇,提高CPU效率性能。由此,可看出CPU風(fēng)扇的散熱性能好壞對CPU的性能有著很大的影響。</p><p>  3 CPU FAN的組成及特點</p><p>  

48、3.1 CPU FAN概述</p><p>  隨著CPU技術(shù)的發(fā)展,更多的晶體管和更高的主頻,以及納米級的工藝,都造成了CPU功率的飆升。更高的功率,就需要更好的散熱設(shè)備。一般來說,我們可以采用風(fēng)冷、水冷、半導(dǎo)體制冷和氟(氮)制冷等多種方法來降溫,但由于這些方法實現(xiàn)成本比較高,而且還可能對電腦的安全構(gòu)成威脅,因此這幾種方式在國內(nèi)并不是十分流行。與這些方法相比,另外一種最實效、最方便、最常用的方法就是使用風(fēng)扇和

49、散熱片。說到CPU的風(fēng)扇和散熱片,其實就是利用它們快速將CPU的熱量傳導(dǎo)出來并吹到附近的空氣中去,降溫效果的好壞直接與CPU散熱風(fēng)扇、散熱片的品質(zhì)有關(guān)。</p><p>  CPU風(fēng)扇(英文為CPU FAN)的主要性能從以下幾個方面體現(xiàn):轉(zhuǎn)速、扇葉形狀、扇葉角度和軸承系統(tǒng)。一般情況下,在散熱器的說明書上都標(biāo)明風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。一般來說散熱器的散熱效果有30%要取決于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。但風(fēng)扇并不是轉(zhuǎn)速越高越好。正確的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速應(yīng)

50、該根據(jù)CPU的發(fā)熱量決定,不同規(guī)格的電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇都應(yīng)該有所區(qū)分,基本的原則就是:在產(chǎn)生同等風(fēng)量的前提下,電機(jī)越大轉(zhuǎn)速就應(yīng)該越低,噪音同樣也會較小,一般在3500r/min至5200r/min之間的轉(zhuǎn)速是比較合乎常規(guī)的。 </p><p>  功率越大,風(fēng)扇風(fēng)力越強(qiáng)勁,散熱效果也就越好。而風(fēng)扇的功率與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速又是有直接聯(lián)系的,也就是說風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高,風(fēng)扇也就越強(qiáng)勁有力。目前一般電腦市場上出售的風(fēng)扇都是直流12V的

51、,功率則從0點幾瓦到2點幾瓦不等,那么功率的大小就需要CPU發(fā)熱量來選擇了。另一方面,不能片面的強(qiáng)調(diào)大功率,只需要與CPU本身的功率要相匹配就好,如果功率過大,不單冷卻效果沒有多大增強(qiáng),反而可能會加重計算機(jī)的工作負(fù)荷,最終縮短CPU和風(fēng)扇的壽命。因此,在選擇CPU功率大小的同時,應(yīng)該量“熱”而行。</p><p>  在以往,CPU風(fēng)扇有3個引腳,分別為電源、地和信號線。信號線是用來向主板發(fā)送風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的信息。隨著

52、技術(shù)發(fā)展,CPU風(fēng)扇加多了一個引腳,這根線就是Intel在soket T架構(gòu)的原包風(fēng)扇中采用的PWM智能溫控風(fēng)扇的PWM信號線。分析可知,三芯風(fēng)扇確實可以實現(xiàn)自動調(diào)整轉(zhuǎn)速的功能,但具備這個功能的是主板而不是風(fēng)扇。它的具體工作步驟是這樣的:首先主板通過監(jiān)控芯片了解到當(dāng)前CPU的工作溫度,如果在一定正常范圍之內(nèi),則不執(zhí)行任何操作,但需要注意的是,此時風(fēng)扇并不是工作在最高轉(zhuǎn)速下的,大約只有這個數(shù)值的60%。比如一款最高轉(zhuǎn)速4500r/min的

53、風(fēng)扇,在系統(tǒng)溫度較低的情況下轉(zhuǎn)速只有2700r/min,這樣的好處是減少噪音和延長風(fēng)扇壽命。</p><p>  隨著處理器的工作溫度的提高,并超過一定警戒線的時候,主板開始為風(fēng)扇提速。這個數(shù)值大約是以10%的幅度提升的,也就是從2700r/min逐步增為3150r/min,然后再到3600轉(zhuǎn)/4050轉(zhuǎn)/4500轉(zhuǎn)。這個變化的過程中,CPU風(fēng)扇并不參與工作,而是通過主板自動調(diào)整對風(fēng)扇供電電壓來實現(xiàn)的。比如風(fēng)扇標(biāo)

54、準(zhǔn)的工作電壓是12V,標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為4500r/min,但一開始主板只給風(fēng)扇提供7.2V電壓,那風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速只有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的60%,即2700r/min,之后主板隨著CPU的溫度提升,以10%的幅度增加電壓,表現(xiàn)在風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速上就是越來越快,逐漸達(dá)到了最高速度。所以總結(jié)來說,三芯風(fēng)扇是不具備速度調(diào)整功能的。</p><p>  而四線風(fēng)扇的特殊之處在于可以控制轉(zhuǎn)速。和上面有所區(qū)別,四線風(fēng)扇的工作方式就完全獨立了,首先風(fēng)扇內(nèi)

55、部會有一個單獨的供電管理芯片,它會通過增加的第四顆線纜,隨時監(jiān)控處理器的溫度和轉(zhuǎn)速,然后回饋給PWM芯片,再由控制芯片調(diào)整轉(zhuǎn)速,這樣風(fēng)扇就完成了自動調(diào)整轉(zhuǎn)速的功能,中間不需要主板參與任何的工作,因此從根本上來說,四線風(fēng)扇控速技術(shù)是通過自身實現(xiàn)的,它應(yīng)用單獨芯片進(jìn)行監(jiān)控,風(fēng)扇在變速的時候,無論從反應(yīng)靈敏度還是準(zhǔn)確性上來看,應(yīng)該都有一定的提升。</p><p>  3.2 CPU FAN組成及工作原理</p&

56、gt;<p>  3.2.1 CPU FAN電機(jī)</p><p>  根據(jù)供電方式的不同,電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)兩種類型。電腦中使用的風(fēng)扇電機(jī)為直流電機(jī),供電電壓為+12V,轉(zhuǎn)速在1000~10000r/min之間。直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。它由定子、轉(zhuǎn)子和換向器三個部分組成,如圖3.1所示。</p><p>  圖3.1 有刷直流電機(jī)的構(gòu)造</p

57、><p>  定子(即主磁極)被固定在風(fēng)扇支架上,是電機(jī)的非旋轉(zhuǎn)部分。轉(zhuǎn)子中有兩組以上的線圈,由漆包線繞制而成,稱之為繞組。當(dāng)繞組中有電流通過時產(chǎn)生磁場,該磁場與定子的磁場產(chǎn)生力的作用。由于定子是固定不動的,因此轉(zhuǎn)子在力的作用下轉(zhuǎn)動。換向器是直流電動機(jī)的一種特殊裝置,由許多換向片組成,每兩個相鄰的換向片中間是絕緣片。在換向器的表面用彈簧壓著固定的電刷,使轉(zhuǎn)動的電樞繞組得以同外電路聯(lián)接。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度后,換向器將供

58、電電壓接入另一對繞組,并在該繞組中繼續(xù)產(chǎn)生磁場??梢姡捎趽Q向器的存在,使電樞線圈中受到的電磁轉(zhuǎn)矩保持不變,在這個電磁轉(zhuǎn)矩作用下使電樞得以旋轉(zhuǎn)[2]。</p><p>  如前所述,直流電機(jī)是利用碳刷實現(xiàn)換向的。由于碳刷存在摩擦,使得電刷乃至電機(jī)的壽命減短。同時,電刷在高速運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生火花,還會對周圍的電子線路形成干擾。為此,人們發(fā)明了一種無需碳刷的直流電機(jī),通常也稱作無刷電機(jī)(brushless motor

59、)。目前為計算機(jī)配備的散熱風(fēng)扇大多是直流無刷電機(jī)。無刷電機(jī)將繞組作為定子,而永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子(如圖3.2),結(jié)構(gòu)上與有刷電機(jī)正好相反。無刷電機(jī)采用電子線路切換繞組的通電順序,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,推動轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運動。</p><p>  圖3.2 直流無刷電機(jī)原理圖</p><p>  無刷電機(jī)由于沒有碳刷,無需維護(hù)壽命長,速度調(diào)節(jié)精度高。因此,無刷電機(jī)正在迅速取代傳統(tǒng)的有刷電機(jī),帶變頻技術(shù)的家用

60、電器(如變頻空調(diào)、變頻電冰箱等)就是使用了無刷電機(jī),目前主板的散熱風(fēng)扇中幾乎全部使用無刷電機(jī)。</p><p>  3.2.2 霍爾傳感器</p><p>  為了對風(fēng)扇電機(jī)的運行狀況進(jìn)行監(jiān)控,需要從風(fēng)扇電機(jī)向主板輸出速度信號,實現(xiàn)風(fēng)扇運行情況的監(jiān)控。監(jiān)控電路用來顯示風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,并可實現(xiàn)報警和電腦的自動停機(jī),以防止因風(fēng)扇停轉(zhuǎn)而燒毀CPU或其它器件的情況出現(xiàn)?,F(xiàn)在變頻電機(jī)普遍采用集成功率器件

61、來實現(xiàn)這一功能,使控制線路大為簡化。</p><p>  為了實現(xiàn)精確控制效果,必須向集成功率器件輸入反映轉(zhuǎn)子位置的信號,因此變頻電機(jī)必須具有電機(jī)位置反饋機(jī)制。目前通常使用霍爾元件或和光電傳感器兩種手段進(jìn)行位置和轉(zhuǎn)速檢測。</p><p>  霍爾器件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,霍爾效應(yīng)是美國科學(xué)家愛德文·霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的。目前,使用霍爾效應(yīng)的磁傳感器產(chǎn)品已得到廣泛的應(yīng)用

62、。下圖為霍爾效應(yīng)原理圖。在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上,加上和片子表面垂直的磁場B,在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓[3](圖中的Vh稱為霍爾電壓)。</p><p>  圖 3.3 霍爾效應(yīng)原理圖</p><p>  變頻電機(jī)利用霍爾器件測量轉(zhuǎn)子的相對位置,所獲得的信號輸入到控制芯片中,驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。同時,還可將該信號通過主板輸出,作為測速信號使用,可謂一箭雙雕。由于換向脈沖為方波信號,在主板上

63、經(jīng)過簡單處理便可輸送給主板進(jìn)行顯示和控制。由于電機(jī)的相數(shù)一般在2個以上,換向信號的頻率為電機(jī)的轉(zhuǎn)速的若干倍,因此,如果利用換向脈沖作為測速信號,必須經(jīng)過除法運算才能得到真實的電機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>  風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)子有永磁磁鐵,風(fēng)扇每轉(zhuǎn)一圈就有一次切割磁力線現(xiàn)象,那么這個磁力線被霍爾器件感應(yīng)到,就向PC主板發(fā)送一個電脈沖信號,主板按照記數(shù)器可以算出一分鐘轉(zhuǎn)多少圈。也就是說主板按照一秒鐘收到多少個電脈沖然后自動

64、乘以60就可以得出此電機(jī)一分鐘轉(zhuǎn)多少圈。這電脈沖信號就是原來三芯的信號線。而四線多出的一根線就是PWM控制方波,用于調(diào)頻。</p><p>  直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種,也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(P)影響: </p><p><b> ?。?.1)</b></p><p>  在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下,改變定子旋

65、轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動器),控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回傳至控制中心反復(fù)校正,以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說直流無刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。 </p><p>  圖3.4是直流無刷電機(jī)的控制原理圖。電源部提供三相電源給電機(jī),控制部則根據(jù)需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。</p>&l

66、t;p>  圖3.4 直流無刷電機(jī)控制原理圖</p><p>  電源部分可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220 V),如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機(jī)。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(Q1~Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/

67、下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)??刂撇縿t提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(inverter)換相的時機(jī)。直流無刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動時速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制,所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器(hall-sensor),作為速度之閉回路控制,同時也作為相序控制的依據(jù)。但這只是用來作為速度控制并不能拿來作為定位控制。</p><p&g

68、t;  要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動起來,首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置,然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序,使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場,并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用,如此就能使電機(jī)順時/逆時轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號的位置時,控制部又再開啟下一組功率晶體管,如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停

69、止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管);要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。 </p><p>  基本上功率晶體管的開法可舉例如下:Q1、Q4為一組;Q1、Q6為一組;Q3、Q6為一組;Q3、Q2為一組;Q5、Q2為一組;Q5、Q4為一組,但絕不能開成Q1、Q2或Q3、Q4或Q5、Q5。此外因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間,所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進(jìn)去,否則當(dāng)上臂(或下臂)尚

70、未完全關(guān)閉,下臂(或上臂)就已開啟,結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。</p><p>  4 脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)概述</p><p>  4.1 脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的由來與發(fā)展</p><p>  脈沖寬度調(diào)制(PWM),是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫,簡稱脈寬調(diào)制,是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一

71、種非常有效的技術(shù),廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。</p><p>  20世紀(jì)70年代以前,以晶閘管為基礎(chǔ)組成的相控整流裝置是運動控制系統(tǒng)直流傳動中主要使用的變流裝置,但由于晶閘管屬于半控型器件,使其構(gòu)成的V-M系統(tǒng)的性能受到一定的限制;20世紀(jì)70年代以后,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了全控型器件——門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力場效應(yīng)晶體管(Power-MOSFET)、絕緣柵極雙極晶體

72、管(IGBT)。PWM控制的思想源于通信技術(shù),全控型器件的發(fā)展使得實現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上世紀(jì)80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展,PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用.隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用,PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。PWM

73、是一種模擬控制方式,其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置,來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變,這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定,是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技</p><p>  PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點。它使得電力電子裝置的性能大大提高,因此它在電力電

74、子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。</p><p>  隨著電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了多種PWM技術(shù),其中包括:相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等,而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法,它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形,通過改

75、變脈沖列的周期可以調(diào)頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓,采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化??梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。 </p><p>  模擬信號的值可以連續(xù)變化,其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件,因為它的輸出電壓并不精確地等于9V,而是隨時間發(fā)生變化,并可取任何實數(shù)值。與此類似,從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號與

76、數(shù)字信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi),例如在{0V, 5V}這一集合中取值。 </p><p>  模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制,如對汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡單的模擬收音機(jī)中,音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時,電阻值變大或變?。涣鹘?jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少,從而改變了驅(qū)動揚聲器的電流值,使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣,模擬電路的輸出與輸入成線性比例。 &l

77、t;/p><p>  盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單,但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點就是,模擬電路容易隨時間漂移,因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱,其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感,任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。 </p><p>  通過以數(shù)字

78、方式控制模擬電路,可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外,許多微控制器和數(shù)字信息處理器(DSP)已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器,這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。</p><p>  4.2 脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的基本思想及工作原理 </p><p>  采樣控制理論中有一個重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同[4]。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論

79、基礎(chǔ),對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率。其中,沖量是指窄脈沖的面積。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。</p><p>  下面用一個實例具體講述面積等效原理。如圖4.1所示。其中電路輸入為窄脈沖e(t),電路輸出為i(t)。&

80、lt;/p><p>  圖4.1 不同形狀的窄脈沖效果測量電路</p><p>  當(dāng)e(t)為以下圖4.2所示的幾種窄脈沖形式時,其響應(yīng)效果如圖4.3所示。</p><p>  圖4.2 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖</p><p>  圖4.3 各種沖量相同的窄脈沖的響應(yīng)波形</p><p>  由圖4.3可以看出,

81、面積相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波,將正弦半波N等分,可看成N個彼此相連的脈沖序列,寬度相等,但幅值不等。如下圖4.4所示,用矩形脈沖代替的正弦波,等幅不等寬,中點重合,面積(沖量)相等寬度且按正弦規(guī)律變化。</p><p>  圖4.4 用PWM波替代正弦波</p><p>  對于正弦波的負(fù)半周,采取同樣的方法,

82、得到PWM波形,因此正弦波一個完整周期的等效PWM波如圖4.5。</p><p>  圖4.5 一個完整周期正弦波的等效PWM波</p><p>  根據(jù)面積等效原理,正弦波還可等效為下圖中的PWM波,而且這種方式在實際應(yīng)用中更為廣泛。如圖4.6所示。</p><p>  圖4.6 一個完整周期正弦波的另一種等效PWM波</p><p>  

83、可以看出,要改變等效輸出正弦波幅值,只需要按同一比例改變各脈沖寬度即可。脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成,其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。圖4.7所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號,比較器輸出正常數(shù)A,否則輸出0。因此,從圖4.7中可以看出,比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。</p><p>  圖4

84、.7 脈寬調(diào)制過程</p><p> ?。╝)調(diào)制原理圖 (b)調(diào)制波形圖</p><p>  4.3 脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的優(yōu)點</p><p>  脈沖寬度調(diào)制(PWM)是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用,方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的,因為在給定的任何時刻,滿幅值的直流供電要

85、么完全有(ON),要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候,斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠,任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。</p><p>  多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz,通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如

86、,Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個PWM控制器,每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比;調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前,這種微處理器要求在軟件中完成以下工作: </p><p>  1、設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時器/計數(shù)器的周期;</p><p>  2、在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時間;</p><p>  3、設(shè)置P

87、WM輸出的方向,這個輸出是一個通用I/O管腳;</p><p><b>  4、啟動定時器;</b></p><p>  5、使能PWM控制器;</p><p>  PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的,無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時,

88、也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。</p><p>  對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點,而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端,通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 </p><p>  總之,PWM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng),是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計應(yīng)用中使用的有效技術(shù)

89、。PWM驅(qū)動裝置在中小功率場合,有著晶閘管驅(qū)動裝置無法比擬的優(yōu)點,例如:調(diào)速范圍寬、快速性好、電流波形系數(shù)好、功率因數(shù)好等[5]。</p><p>  5 脈寬調(diào)制技術(shù)控制CPU FAN的基本思想</p><p>  5.1 PWM風(fēng)扇接口技術(shù)</p><p>  CPU工作時會產(chǎn)生熱量,如果不及時給其散熱會導(dǎo)致死機(jī)。如果CPU長時間工作在高溫環(huán)境下會嚴(yán)重影響C

90、PU的使用壽命。甚至可能導(dǎo)致CPU的燒毀。一般情況下CPU的溫度的溫升應(yīng)該在30度范圍內(nèi)。如當(dāng)前室內(nèi)溫度為25度,那么CPU的耐收溫度為60度。CPU表層覆蓋著一層導(dǎo)熱性良好的銅鎳合金。合金和CPU FAN之間一般會涂一層導(dǎo)熱硅脂。當(dāng)CPU溫度升高時,溫度會傳導(dǎo)給其表層的銅鎳合金,合金再通過導(dǎo)熱硅脂把熱量傳給一種鋁制散熱片,最后再由CPU FAN將熱量吹走。</p><p>  最開始的時候計算機(jī)內(nèi)的風(fēng)扇大多是兩

91、芯的,一紅一黑,其中紅色的是+12V電流接入,黑色的為地線。慢慢的CPU FAN發(fā)展到3芯設(shè)計,它在原來兩根線基礎(chǔ)上加入了一顆藍(lán)線(或者是白線),主要的目的是偵測風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。那么到了如今LGA775處理器的時代,風(fēng)扇的線纜變成了四根線。和以前3芯相比,多出了一根黃色的線。 經(jīng)過仔細(xì)的研究,就會發(fā)現(xiàn)了這種四芯風(fēng)扇的特殊之出——可以控制轉(zhuǎn)速。</p><p>  CPU FAN的電動機(jī)是流無刷電動機(jī)。它除了電機(jī)電樞、

92、永磁勵磁兩部分外,還帶有傳感器。電機(jī)本身是直流無刷電機(jī)的核心,它不僅關(guān)系到性能指標(biāo)、噪聲振動、可靠性和使用壽命等,還涉及制造費用及產(chǎn)品成本。由于采用永磁磁場,使直流無刷電機(jī)擺脫一般直流電機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計和結(jié)構(gòu),滿足各種應(yīng)用市場的要求,并且向著節(jié)銅,節(jié)材制造簡便的方向發(fā)展。永磁磁場的發(fā)展與永磁材料的應(yīng)用密切相關(guān),第三代永磁材料的應(yīng)用,促使直流無刷電機(jī)向高效率、小型化、節(jié)能方向邁進(jìn)。</p><p>  首先,PWM風(fēng)扇

93、調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是直接從CPU獲取溫度信息,在風(fēng)扇上無任何測溫裝置。根據(jù)不同的CPU溫度,溫控風(fēng)扇會有不同的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與之對應(yīng),并且風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速變化可以做到四級五級,甚至更多,基本上是無極變速的感覺。由于是脈寬信號的實時調(diào)節(jié),風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變化非常靈敏,轉(zhuǎn)速和CPU溫度的變化幾乎是同步的。</p><p>  第二,PWM風(fēng)扇在計算機(jī)待機(jī)的時候,可以保持在一個非常低的轉(zhuǎn)速上。例如原包的Intel風(fēng)扇,在待機(jī)時候,CPU溫度在

94、四五十度以下,其轉(zhuǎn)速僅為一千多轉(zhuǎn),大大降低了運轉(zhuǎn)的噪音。而設(shè)計的最高轉(zhuǎn)速為四千多轉(zhuǎn)每分,只有在CPU溫度接近極限溫度,即65-67度時候,才會出現(xiàn)。相比傳統(tǒng)的溫控風(fēng)扇有著更大的轉(zhuǎn)速控制范圍,更好的解決了噪音和性能的問題。</p><p>  第三,PWM溫控風(fēng)扇在開機(jī)的瞬間,轉(zhuǎn)速會提升到最高,持續(xù)數(shù)秒后,降低到待機(jī)的低轉(zhuǎn)速水平。這個特點也是PWM智能溫控風(fēng)扇的最明顯特征,可以用來判斷風(fēng)扇和主板是不是真的具有PWM

95、功能,或者其功能是否有故障,甚至可以用來作為真假散熱器的參考判斷標(biāo)準(zhǔn)[6]。</p><p>  新一代的LGA775主板將會改用全新的4pin接口散熱器。新的4pin接口將提供PWM(風(fēng)扇轉(zhuǎn)速模組),新一代PWM模組采用以電源的頻率范圍來調(diào)整其功率,而沒有采用較為常見的減少電壓方式,令風(fēng)扇不會因為經(jīng)常改變電壓而損壞。在很多i915/i925X主板來看,未來風(fēng)扇的接口將逐漸從3pin向4pin轉(zhuǎn)變。它們的電路原理

96、圖分別如圖5.1和圖5.2所示。</p><p>  圖5.1 3pin CPU FAN電路原理圖</p><p>  圖5.2 4pin CPU FAN電路原理圖</p><p>  2004年Intel最大的一個舉措莫過于推出了新的架構(gòu)soket T,在這個新的架構(gòu)中,除了大家熟知的沒有了針腳的CPU,新的扣具方式外,有一個明顯的變化,卻很少有人提及,那就是

97、風(fēng)扇的電源接口變成了4pin。以往3pin的風(fēng)扇的各pin功能是,一個電源,一個接地,一個是信號線,用來向主板發(fā)送風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的信息。那么4pin風(fēng)扇多出來的一根線是做什么的呢。這根線就是Intel在soket T架構(gòu)的原包風(fēng)扇中采用的PWM溫控風(fēng)扇的PWM信號線。改進(jìn)后的4pin插座如圖5.3所示。</p><p>  圖5.3 4pin CPU FAN插座及各pin的功能</p><p>

98、;  從針腳定義上來看,這種4針設(shè)計,的前3針的定義和上一代是一樣的,區(qū)別就是多了一根轉(zhuǎn)速控制線。這4根線的顏色是不同的,每種顏色代表的含義見表5.1[10]:</p><p>  表5.1 4pin CPU FAN插座及各pin的顏色</p><p>  5.2 PWM溫控風(fēng)扇原理</p><p>  由上文可知,要控制CPU的溫度,就要調(diào)節(jié)CPU FAN的轉(zhuǎn)

99、速。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速計算式為:</p><p><b> ?。?.1)</b></p><p>  其中U為電樞端電壓,i為電樞電流,R為電樞電路總電阻,φ為每極磁通量,K為電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。常用的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種,分別為:調(diào)節(jié)電樞供電電壓;減弱勵磁磁通;改變電樞回路總電阻。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說,以調(diào)節(jié)電樞供電電壓方式為最好。改變電阻只能有

100、級調(diào)速;減弱磁通雖然能平滑高速,但高速范圍不大[11]。本文中提到的PWM技術(shù)就是通過調(diào)節(jié)電壓方波的占空比的大小來調(diào)節(jié)平均電壓的大小,從而控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。直流電機(jī)機(jī)械特性曲線如圖5.4所示:</p><p>  圖5.4 直流電機(jī)機(jī)械特性曲線</p><p>  在具有PWM智能風(fēng)扇功能的主板上,除了原先的測溫電路之外,多了一個PWM的控制芯片,他的作用是根據(jù)測溫電路測得的CPU溫度

101、,發(fā)出具有不同占空比的PWM脈沖信號。這個脈沖是一種方波,在一個周期內(nèi),此方波信號的高電平時段占整個周期的比例,我們稱之為占空比[12](Duty Cycle)。</p><p><b>  (5.2)</b></p><p>  其中,Ton為信號在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間,T為信號的周期。整個周期都是高電平信號,則占空比為100%,反之占空比為零。最簡單的PWM溫控電

102、路,在風(fēng)扇的電路板上多了個控制電路,我們把它簡單的理解為一個三極管,其中一級和PWM的方波脈沖連接,這個級上如果出現(xiàn)高電平,則三極管另外兩極處于導(dǎo)通狀態(tài),如果是低電平,則另外兩極處于斷開狀態(tài)。如果發(fā)出的方波脈沖信號的占空比為50%,即高電平信號占一個周期的一半時間,那么此三極管在一個周期內(nèi)就有一半時間處于導(dǎo)通狀態(tài)。通過此三極管在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間長短,我們很容易實現(xiàn)對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制。</p><p>  如果P

103、WM的方波脈沖信號的占空比可以做到多種級別,那么風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也可以做到多種級別。以上就是最簡單的PWM智能溫控風(fēng)扇的原理,其中很多地方都簡化了,在實際中,不是一個三極管這么簡單,還有一個另外的電路和芯片負(fù)責(zé)此功能,但是其原理都是類似的。這個芯片的內(nèi)容將在后面講到。</p><p>  最后,有一點需要注意。此溫控風(fēng)扇的控制信息來源是主板的測溫電路。但是我們知道,目前各個廠家在測溫時候的誤差有大有小,溫度的補償也不一

104、樣。比如我知道的865PE主板,華碩的測溫就比Intel原包的低4-5度。所以,相同的風(fēng)扇,上到不同的主板上,可能帶來的最低轉(zhuǎn)速不盡相同。這也是目前Intel最頭疼的事情。至少,由富士康代工的Intel原包主板相對更接近真實的CPU表面溫度一些。在各種品牌電腦中,各家的產(chǎn)品都會根據(jù)自己的機(jī)箱的情況讓主板供應(yīng)商提供合適的最低占空比,以及溫度補償。</p><p>  2004年底,Intel推出了新的LGA 775

105、 P4 CPU,但它的功耗高,發(fā)熱量大,所需的散熱器也要搭配有高轉(zhuǎn)速風(fēng)扇,但高轉(zhuǎn)速風(fēng)扇必然帶來很大的噪音。智能溫控風(fēng)扇技術(shù)的推出就是來解決這個問題,它以實時準(zhǔn)確的溫控調(diào)速,緩解了LGA 775散熱器所帶來的高噪音。這項技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于大多數(shù)支持LGA 775 CPU的主板上。這種智能調(diào)速風(fēng)扇的官方名稱為4針脈寬調(diào)節(jié)風(fēng)扇,英文名是4-Wire Pulse Width Modulation (PWM) Controlled Fans。它的

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