PWM是如何实现调速的？CPU风扇的每根线都是什么意思？

对电脑熟悉的朋友都知道，不管是台式电脑还是笔记本电脑，都是具有风扇的，该风扇起到散热作用，电脑CPU的温度越高，转速越快，可以提高电脑CPU的散热效率，保证CPU正常工作。那么电脑是如何调节风扇的转速的呢？这要从风扇的线序说起。从一开始到现在，电脑CPU的风扇分别经历了两线式、三线制以及今天的四线式。那他们之间有什么区别呢？

1-电脑上的风扇

1 两线式CPU风扇的工作原理

早期的风扇只有两根线，一般用红线和黑线来表示，红色表示电源正、黑线表示电源负，即只要接上合适的电压，风扇就会转动，而且是全速转动，速度不可调。这中风扇虽然容易控制，但是没有转速反馈。风扇有没有在转动、风扇的转速是多少，电脑CPU完全不知道。即使风扇坏掉了，电脑CPU也无法检测到，温度和转速之间无法形成闭环 ，也可以说风扇的状态是不可控的，存在散热隐患。

2-两线式风扇

鉴于两线式风扇的以上缺点，为提高散热效率，后来又出现过三线式的风扇。

2 三线式CPU风扇的工作原理

三线式风扇有三根线，分别用红色、黑色和黄色来表示。红色和黑色是电源线，而黄色是风扇转速的反馈线，通过这根线，电脑CPU可以实时的检测到风扇的转速。在风扇开启后，CPU能知道风扇是不是在工作，形成了初步的闭环。

3-三线式风扇

在电脑需要散热的时候，CPU检测到风扇的转速为零，那么就可以判断风扇坏掉或者是缺失，可以向用户提示故障信息。

以上两种风扇所存在的缺点就是，无法根据实际的温度情况进行调速，只要满速运行，导致噪声很大，为了改善这种情况，出现了四线式风扇。

3 四线式CPU风扇的工作原理

四线式CPU风扇在三线式的基础之上多了一根调速线，CPU既能实时的检测风扇的转速，又能根据当前CPU的温度来控制风扇的转速，实现了温度和风扇转速的闭环控制，提高了散热效率、降低了主机功耗、还减小了风扇转动时的噪音。优点明显，所以，目前以四线式风扇居多。

4-四线式风扇

通过前面的对比可知，三线式风扇比两线式风扇多了测速功能，而四线式风扇又比三线式风扇多了调速功能。对比如下表所示。

5-风扇线序对比

那么CPU是如何调节风扇的转速的呢？

4 CPU是如何调节风扇转速的

给风扇加上合适的额定电压后，风扇就会满速运转，如果把电压降低一点，那么风扇的转速就会降低，当把电压将为零后，风扇慢慢就停下来了。可以发现，只要改变风扇两端的电压就可以实现转速的调节。那么如何实现风扇电压的调节呢？这就用到了PWM。

PWM调速原理

所谓PWM，就是脉冲宽度调制，一定频率的方波是由高电平和低电平构成的。假设高电平的持续时间是T1，低电平的持续时间是T2, 那么周期T=T1+T2 。

6- PWM方波

通过改变高电平的持续时间，就可以改变方波的平均电压，在一个周期内高电平所占的比例，就叫做占空比，计算公式为：D=T1/T 。

占空比与平均电压的关系

占空比越大，那么平均电压就越高；占空比越低，平均电压就越小。

占空比为100%，那么风扇两端的电压就是12V，风扇满速转动 ；

占空比为50%，那么风扇两端的电压就是6V，风扇以一半的速度转动 ；

占空比为0%，那么风扇的电压就是0V，风扇不转动 。

占空比和平均电压的计算关系如下图所示。

7-平均电压的计算方法

PWM调速电路原理图的设计

所以，CPU只要输出不同占空比的方波就可以控制风扇的转速，占空比的大小与温度有关。温度越高，占空比越大，风扇转速越快；温度越低，占空比越小，风扇转速也就越小。CPU控制风扇调速的电路原理图如下图所示。

8-PWM调速电路原理图

上图中，使用三极管作为风扇的驱动，也可以使用MOSFET等其他功率器件，方波的占空比是由CPU温度控制的。理论上来讲，频率越高，风扇转动越平滑，但是对功率开关器件的响应速度要求也就越高，所以方波的频率一般控制在10K-30KHz之间。

直流电机调速系统的技术原理

导 读

直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制 (PWM)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度，下面就来给大家说说。

PWM的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。

三角波发生器用于产生一定频率的三角波UT，该三角波经加法器与输入的指令信号UI相加，产生信号UI UT，然后送入比较器。比较器是一个工作在开环状态下的运算放大器，具有极高的开环增益及限幅开关特性。两个输入端的信号差的微弱变化，会使比较器输出对应的开关信号。一般情况下，比较器负输入端接地，信号UI UT从正端输入。当UI UT>0时，比较器输出满幅度的正电平;当UI UT0时，比较器输出满幅度的负电平。

电压-脉宽变换器对信号波形的调制过程如图2所示。由于比较器的限幅特性，输出信号US的幅度不变，但脉冲宽度随UI的变化而变化，US的频率由三角波的频率所决定。

当指令信号UI=0时，输出信号US为正负脉冲宽度相等的矩形脉冲,首先由单片机发出电机逻辑控制信号，主要包括电机运转方向信号Dir，电机调速信号PWM及电机制动信号Brake，然后由TL494进行脉宽调制，其输出信号驱动H桥功率电路来驱动直流电机。其中H桥是由4个大功率增强型场效应管构成的，其作用是改变电机的转向，并对驱动信号进行放大。

在实现电机PWM控制的电路中，本系统选用TL494芯片，其内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成，TL494芯片广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个(一个电阻和一个电容)。内置误差放大器。内止5V参考基准电压源。可调整死区时间。内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。推或拉两种输出方式。

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