第13章 风扇调速策略的制定和验证¶
扇转速，无法反馈风扇实时转速，控制精度不高，但价格便宜。
三线风扇：相对两线风扇，多出的一根线为信号输出线。风扇转速仍仅能通过控制电压来调节，但由于有信号输出线，因此可以实时读取风扇转速；由于仍基于电压控速，故控制精度与两线风扇相同。
四线风扇：四根线中，有两根为正负极，一根为信号输出线，最后一根为信号输入线。四线风扇通过产生 PWM 脉冲信号控制风扇转速，不同的占空比对应不同的转速。控速较为精准，且可以实时读取当前风扇转速。目前对风扇转速有较严格要求的电子产品中大多采用四线风扇。
13.2.2 必须有可实时反馈产品散热风险的温度传感器¶
从检测的温度位置来区分，温度传感器可以分为以下四类：
作为风扇转速调整的参考温度，温度传感器需要准确、及时反映产品的散热风险。上述四种温度传感器对风扇转速的调整基准参考性排序为：芯片内置温度传感器＞板载温度传感器＞可插拔式温度传感器＞风扇内置温度传感器。
13.2.3 系统中必须内置有效的风扇调速程序¶
风扇调速程序是使用代码表达风扇转速与参考温度之间的对应关系，需要热设计工程师和软件工程师共同完成。热设计工程师负责提供风扇转速与参考温度关系，软件工程师负责用代码表达并将其内置在系统软件中。在非异常状况下，常见的风机转速与参考温度之间的关系可以归类为下面六种。
1）风扇一直全速：如图 13-4 所示，不做任何控制，不鼓励使用此方法。
的控速方法可以实现风扇的平稳运转，较为常用。
6）以将参考温度控制到某一温度 T 为目的，当参考温度低于 T 时，风扇转速降低；当参考温度高于 T 时，风扇转速提高，该方法又称为目标控速，如图 13-9 所示。目标控速对温度传感器的及时性要求较高。而且，由于风扇转速变化后，芯片温度并不能立即转变到与该转速对应的数值去，需要一个稳定时间，因此风扇转速的调整与其产生的温度效果之间存在一个延迟，故而目标控速中通常会设置温度回差，即将目标温度 T 设置成一个范围（如芯片温度规格是 \(100^{\circ}C\) ，则可以将目标温度设置为 \(95 \sim 100^{\circ}C\) ），而不是一个具体的值。
注意，上述温度 \(T\) 、 \(T_{1}\) 、 \(T_{2}\) 、 \(T_{3}\) ，转速 \(R\) 、 \(R_{1}\) 、 \(R_{2}\) 和区间数 \(N\) 要根据测试确定。
上述六种方案的具体选择需要考虑产品的具体特征和使用的环境。对于较简单的系统，建议转速控制方案尽量简单；对于精细化设计的产品，通常会使用多段式控速或目标控速。
13.3) 风扇调速策略的设计¶
13.3.1 温度传感器的布置¶
之前一再强调，温度传感器必须能够及时、准确地反映系统的散热风险。从
这个角度出发，对不同温度传感器的布局要遵从以下原则：
13.3.2 风扇调速策略整定步骤¶
风扇的调速程序中，归纳了六种类型的风速与温度的对应关系。实质上，它们又可以统归成两大类：前五种风扇转速与温度都有固定的对应关系，最后一种风扇转速与温度没有固定的对应关系，目标温度是一个固定的范围，风扇转速则需要根据周围环境以及产品具体负载不断变化。
1. 风扇转速与温度具备一一对应关系的控速策略¶
这种控速方案的设计，对应关系的确定是关键。确定对应关系有两种方式，其一是仿真，其二是测试。仿真和测试的根本思路其实完全一致，仅仅是一种数值试验，而另一种是实际样机测试。其实现步骤如下：
3）复测算法：
① 环温控速：改变环境温度，验证是否满足要求；
② 芯片温度控速：改变环境温度，或更换负载来改变芯片温度，验证是否满足要求。
第 3）步验证通过的话，则正式发布算法，否则协同软件工程师，重复 1)\~3)，迭代修正，直至验证通过，流程如图 13-11 所示。
下面举一个简单的例子来描述具体的实现过程，见表 13-1。注意下例中所有的数字均是仅为表达调速设置方法而定的示意值。
例 某插箱设计工作温度范围为 \(-5\sim 40^{\circ}\mathrm{C}\) ，强迫风冷设计，需要制定以环境温度为参考基准的调速策略。
答 首先，设计单板时，在板上合适位置加装环境温度传感器。
根据产品特点，将插箱工作温度范围划分区间，此处以 \(40^{\circ}C\) 和 \(25^{\circ}C\) 为上下界限， \(5^{\circ}C\) 为区间长度，划分五个区间。
测试或仿真：在各环境温度区间内，调整风扇转速，直至设备散热表现合理，记录此时转速和温度传感器度数。
测试结果中，风扇转速与温度传感器度数对应关系，就可作为算法设计输入。
表 13-1 调速策略整定示意
| 温度区间划分 | 测试结果 | ||
| 温度区间编号 | 对应的环境温度范围/°C | 满足散热的合理风扇转速/(r/min) | 对应的温度传感器读数/°C |
| 1 | $\leqslant 25$ | 2000 | $\leqslant 28$ |
| 2 | 26~30 | 2500 | 29~33 |
| 3 | 31~35 | 3000 | 34~38 |
| 4 | 36~40 | 3500 | 39~43 |
| 5 | $\geqslant 40$ | 4000 | $\geqslant 43$ |
2. 风扇转速与温度无一一对应关系的控速方式¶
目标控速的核心思想是将温度传感器控制在一个预设的温度值或温度范围，其流程如图 13-12 所示。温度传感器的示值与转速之间并没有直接的对应关系，取而代之的是温度传感器实时探测值与目标温度之间的差值与转速需要调整的幅度之间的对应关系。
环境温度传感器的读数不能作为控速目标，这是因为：①改变风扇转速对环境温度传感器读数影响很小；②将环境温度传感器读数控制到某一数值并不能保证设备无散热风险。目标控速只能依据芯片内置温度传感器或板载的反映芯片温
度的传感器。
除了温度传感器的布置和选择，目标控速设计还包括：
可以看出，确定风扇转速调整量和温度传感器示值与目标温度差值之间的关系是目标控速的核心。另外，设置合理的目标温度值也是非常关键的，通常会将其定为芯片长期工作温度要求减去 \(5^{\circ}C\) ，即留出 \(5^{\circ}C\) 作为缓冲空间。
下例将给出一个示意性的目标控速策略。
首先，将风扇转速分为表 13-2 所示十档。
表 13-2 风扇转速档位划分示意
| 风扇档位划分 | 风扇转速比(%) | 风扇档位划分 | 风扇转速比(%) |
| 1 | 50 | 6 | 75 |
| 2 | 55 | 7 | 80 |
| 3 | 60 | 8 | 85 |
| 4 | 65 | 9 | 90 |
| 5 | 70 | 10 | 100 |
芯片长期工作温度为 \(105^{\circ}C\) ，设定目标温度值为 \(100^{\circ}C\) ，根据测试结果，设定风扇步进量，见表 13-3。
表 13-3 转速调整示意
| 状态 | 温度传感器读数/°C | 与目标温度差/°C | 转速调整档数 |
| 超过目标温度 | 105 | 5 | +3 |
| 103 | 3 | +2 | |
| 101 | 1 | +1 | |
| 低于目标温度 | 99 | -1 | -1 |
| 97 | -3 | -2 | |
| 95 | -5 | -3 | |
| 93 | -7 | -4 |
目标控速前期档位调整量的测试关键是理清如下问题：风扇转速需要改变多少，才能使得当前温度传感器数值变为目标温度值。对于上例，调整幅度合理的意思是若温度传感器度数为 \(95^{\circ}C\) ，则目标温度为 \(100^{\circ}C\) ，经测试发现，此时将转速调低三个档位，温度传感器数值就会变为 \(100^{\circ}C\) ，于是设置 \(-5^{\circ}C\) 的温度差对应的风扇步进档位为 -3。
上述调速思路通常可以获得较为合理的转速和散热表现，但一个事实是，当风扇处于不同档位时，提高相同幅度的档位，对系统散热能力的影响是不一样的。对上例而言，就是风扇档位从 1 变化到 2，和从 8 提高到 9，带来的散热幅度提升可能是有明显差别的，而这将可能导致转速的振荡。在精品产品中，目标控速中风扇转速的调节需要使用相对更灵敏准确的算法，鉴于此，PID［比例（Proportion）、积分（Integration）、微分（Differentiation）］调速算法被广泛应用。
PID 控制已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。在实际的控制中，也分为多种类型。在电子散热领域，应用较为广泛的是增量型和位置型。PID 调速是目前热设计中较为高级的风扇调控策略。PID 调速原理如图 13-13 所示；PID 调速风扇转速变化效果如图 13-14 所示。
图中， \(r(t)\) 为 t 时刻传感器温度值； \(e(t)\) 为 t 时刻温度值和目标温度之间的差异； \(c(t)\) 为风扇转速调整量。
PID 调速方法的公式为
式中， \(u(t)\) 为调节器的输出信号； \(e(t)\) 为调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差； \(K_{P}\) 为比例系数； \(T_{I}\) 为积分时间； \(T_{D}\) 为微分时间； \(u_{o}\) 为控制常量； \(K_{P}/T_{I}\) 为积分系数； \(K_{P}T_{D}\) 为微分系数。
在电子产品风扇控速中，PID 调速算法的设计过程就是式（13-2）中各参数的整定过程。PID 参数整定是一个相当复杂的过程，需要大量的测试数据作为参考。必要时，可以对 PID 调速做适当简化，比如只用比例积分控制，放弃微分控制，或只用比例微分控制，放弃积分控制。
13.4 异常情况的风扇转速应对¶
风扇调速程序正常运行的前提是能够监测系统的散热风险。当监测系统出现故障，或风扇本身出现问题时，就需要采取紧急措施。紧急措施必须在调速程序中有所体现，常见的异常情况及应对方式有如下五种：
13.5 本章小结¶
噪声和热设计是无法分割的。而控制噪声最关键的手段就是控制风扇或泵的转速。本章具体描述了电子产品中风扇控速的思想原理、具体制订步骤和验证策略。风扇控速的稳定性和响应的及时性不仅与所有温度相关因素有关，还与风扇本身的性能有关。其带来的效果则包含设备热风险的可控性、噪声的体验以及风扇的寿命。作者认为，设计一套算法来控制风扇的转速根据实时监控的温度以合理的幅度和速度进行调节，是考验热设计师综合能力的有效任务。液冷系统中泵的转速控制、使用了 TEC 的散热系统中 TEC 的工作电流或工作电压的控制，均可参考本章描述的风扇控速思想。
第 14 章¶
热测试¶
14.1 热测试的目的和内容¶
在电子产品散热设计中，热测试是必不可少的环节。热测试的作用主要有以下三点：
读者读至此处，应该已经能够充分认识到热设计的交叉学科属性。它涉及功耗、结构、材料、硬件和软件等几乎产品所有相关方面。热测试需要关注的并不只是温度，而是与温度相关的所有因素。在测试中，为了保证测试系统设定正确，需要同时监控噪声、功耗和相关散热手段的使用等。热测试验证需要进行的基本项目包括功耗测量、温度测量、风扇调速策略验证（风冷产品）。热测试有时还需要噪声测试、风量测试、风阻测试等来配合。
14.2 热测试注意事项¶
14.2.1 确保设备的配置和负载与测试工况对应¶
软硬件配置不同时，产品功耗通常也不相同。结合第 2 章的论述可知，功耗对温度的影响非常直接。因此，在进行热测试时，需对产品功耗进行实时监控。功耗如果错误，则测试结果将毫无意义。如个人电脑运行时，闲置工况时的 CPU 功耗与运行大型软件时的 CPU 功耗有很大差异，如图 14-1 所示。热测试前必须与软硬件工程师沟通确认好测试需采用的配置及负载软件。
14.2.2 确保设备使用的散热物料与设计方案一致¶
作为热设计工程师，测试前必须分析厘清影响热设计效果的各类因素，在测试开始前进行检查核对，确保使用的散热物料与设计方案一致。常见的检查项目如下：
14.2.3 根据散热方式选择合适的测试环境¶
自然散热使用无风温箱，如图 14-2 所示自然散热产品有风将会严重影响测试结果；强迫风冷产品可视情况选择无风温箱或是恒温箱，如图 14-3 所示。
14.2.4 关注测试读取结果数据的稳定性¶
设备起动后，温度的平稳需要时间。
14.3 温度测试¶
温度是热测试中最关键的测试参数。依据测温仪器是否接触热源，测温方法可分为接触式测温和非接触式测温，对比见表 14-1。其中，接触式测温在电子散热领域大量应用。非接触式测温中的红外测温可以获得一个平面的温度分布，应用也较为广泛。示温材料是一种热致变色的材料，温度不同时，其表现的颜色会发生变化。示温材料多用于重工业设备，当前在电子散热的热测试中应用不多。
表 14-1 常用测温方法对比
| 测温方法 | 温度传感器 | 测温范围/°C | 精度(%) |
| 接触式 | 热电偶 | -200~1800 | 0.2~1.0 |
| 热电阻 | -50~300 | 0.1~0.5 | |
| 示温材料 | -35~2000 | <1 | |
| 非接触式 | 红外测温 | -50~3300 | 1 |
14.3.1 热测试设备¶
热测试实验室需要配置如下基本设备，才能进行热测试。
