看懂风扇的“里外”：原理、构造、性能与计算的系统性解读
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本期给大家带来的是关于电子设备中风扇的性能与计算公式相关研究内容，希望对大家有帮助。
之前有文章介绍了电子产品风扇的基础知识，今天进一步剖析与风扇功能、性能相关的计算公式以及影响其性能的因素。
风扇转速信号输出
FG风扇：风扇内部若有讯号输出设计(FG, Frequency Generation),则输出方波,计算机系统可根据方波周期或频率,求得风扇转速。
因为风扇N-S 磁场的变化,造成方波的H-L 变化, 故一个包含H-L的方波,代表风扇磁场由N极变化到S极,再变换到N极。因此,四极风扇每转一圈,则产生两个方波,故风扇转速为 60 / (周期X2) rpm.
右上图所代表的风扇若为四极,其转速为4285rpm,若为八极,则转速为2143rpm. (因此计算机系统必须先设定风扇为八极或四极)。
风扇转速除频（Divide function）
若有除２倍频设计,则可使八极定子输出与四极定子相同的FG讯号. (也有除以1.5, 3 ….等设计)因此,若A风扇厂使用四极风扇,B风扇厂使用八极风扇,则B风扇厂需要除2倍频, 如此计算机系统不需更改,皆可读取两家风扇正确的转速。
风扇自启动（Auto restart）
风扇在遇到杂物或其它原因停止转动，此时电流急剧增加，马达急剧发热。为解决此问题，IC厂在IC内部增加了Motor lock protection and automatic restart。(自动启动）功能。
当风扇停止时电流Shut-down,几秒钟后再Auto restart。
温控风扇
利用热敏电阻（NTC/PTC)在温度变化时阻值变化，来控制供给马达的功率，实现转速控制。
设计时,根据温度点的要求(温度VS转速表),选用适当的热敏电阻。
风扇转速控制
1.电压控制
改变输入电压,即可增加或减少通过线圈的电流,而调整风扇转速；
必须注意风扇的操作电压范围。
2.PWM (Pulse Width Modulation)电压控制
输入一周期性的电压,透过连续地断电通电的方式, 调整风扇转速.
断电时,风扇因惯性作用,仍在运转.而断电时间很短,故风扇能连续运转
需要較低的啟動電壓,以减少启动所需要的时间, 否则会发生通电时,风扇尚未启动,就到了断电的时刻,使风扇不能连续运转
断電時,由于对整个风扇停止供电,FG 自然无讯号输出, 故此控制方式不易侦测风扇转速。
3.PWM (Pulse Width Modulation)讯号控制
输入电压维持定值,直接对线圈进行通电断电的周期性动作,以控制风扇转速;
需要第四条导线,使风扇接收来自计算机系统的PWM讯号;
风扇电路可由晶体管构成,亦可使用专门的PWM Driver IC。
优点:
只对线圈进行断电动作,故其他元件(ex, Hall IC)仍然可保持稳定以及额定的工作电压,因此不受启动电压影响;
FG 可持续输出,不受断电影响 ;
转速控制准确,即使每颗风扇出厂的转速有异,只要改变duty cycle, 即可达到目标转速 ;
PWM讯号控制定义:
H 讯号的时间占总时间(H+L)的比例,称为duty cycle (有效周期)
每秒钟产生完整H+L讯号的次数为PWM频率 (不可与duty cycle 定义混淆)
若定义输入H讯号为风扇转动讯号,则duty cycle 越大,风扇转速越快 (此时若风扇第四条线接正电源,则风扇全速运转)
若定义输入L讯号为风扇转动讯号,则duty cycle 越大,风扇转速越慢(此时若风扇第四条线接地,则风扇全速运转)
PWM频率若太低,风扇转速变动会过大,例如0.01Hz, 50% duty cycle, 会造成风扇前50秒转动,后50秒停止的现象。
PWM 电路必须与系统电路配合,否则会无法控制风扇, 严重时会烧毁风扇。
单线圈绕组
Single coil (单线圈功能): 支援单线圈定子.于同一条线圈上做电流方向切换,在相同定子空间内,单线圈绕线数为双线圈的两倍,效率约为1.6~1.8倍, 故能比双线圈提供更大的磁场力量。
风扇的性能指标
关于PQ曲线这一块的内容，这里不赘述，感兴趣的可查阅之前的文章，
90%的人没调对：电子产品风扇调速的进阶方法与步骤详解
电子产品中风扇的基础知识：构造、仿真参数、串并联、噪音与选型建议（纯干货建议小白收藏！）
风扇性能预测
同一个风扇,不同转速
CFM2/CFM1=RPM2/RPM1
SP2/SP1=(RPM2/RPM1)^2
用这个公式预测厂商重新送不同转速/不同扇叶大小的性能，另外，同转速,不同直径的风扇(同一扇形)情况如下，
CFM2/CFM1=(D2/D1)^3
SP2/SP1=(D2/D1)^2
检验风洞测试的数据是否有误
其中，
rpm = revolutions per minute 每分钟转数
SP = static pressure
cfm = cubic feet per minute 每分钟立方英尺
影响风扇性能的因素
1.风扇入风口的大小影响性能
2.舌口(tongue) 影响噪音及流量
3.流道设计
流道的设计必须遵守”流道渐扩”原则 :
计算公式如下，
其中，
r0 : 风扇直径
α0 :叶片尖端的流动角
通常以客户给定的空间，决定α0的值。
外在环境影响风扇性能
以离心扇为例，吸风距离对风扇P、Q影响，简易图如下图所示，
上下挡板对风扇性能影响
挡板距离对Q、RPM的影响分析
挡板距离对P的影响分析
挡板距离对噪音的影响分析
其中，
Qmax : 未加上下挡板时的风量
Pmax : 未加上下挡板时的风压
风扇的PQ不是唯一的性能指标，流场分布影响散热性能，如下图所示，
此区域风量小，尽量靠近不需要、或不影响整体散热的区域，比如热管的无效端。
两侧入风口流量不均，影响出风流场
流场分布影响散热性能：越前倾的风扇，流场分布越不均。
另外，裸测较好的风扇，进系统测不一定较好。
由上图对比可以看出，Offset fan 可以减少入风阻力。
以上，就是关于电子产品中风扇的基本功能、特性、相关计算公式，以及影响其性能的各方面因素分析介绍。