Терморегулирование 3х- и 2х-контактных вентиляторов с системной платы ПК

Существует большое количество различных радиолюбительских схем управления вентиляторами. Не вдаваясь в подробности анализа удачности того или иного технического решения, перечислю распространённые проблемы и недостатки большинства существующих схем управления:

1. Невозможность/некорректность работы таходатчика по причине находящегося в цепи массы регулирующего элемента или импульсного питания вентилятора;
2. Снижение эффективности системы охлаждения на больших тепловых нагрузках из-за узкого диапазона частот вращения или невозможности регулятора выдавать полное (паспортное) напряжение на вентилятор;
3. Дополнительный акустический шум и вибрация вентилятора по причине его питания ШИ-модулированным импульсным током;
4. Нагрев элементов регулятора, работающих в линейном режиме;
5. Ненадёжный пуск вентилятора на малых оборотах из-за большого сопротивления в цепи питания;
6. Сильная зависимость оборотов от количества вентиляторов, подключенных к выходу одного регулятора.

Во всех современных системных платах есть технологии понижения шума процессорного кулера. Названия разные - SmartFAN, QuietFAN и т.п. Управление этой технологией производится через BIOS. На рис. 1 на примере BIOS системной платы MSI MS-7519 (AMIBIOS) показана страница настройки параметров технологии термоконтроля.

Рис.1 Страница BIOS PC Health

Настраиваемыми являются следующие параметры.

• CPU Smart Fan Target - установка целевой температуры, при превышении которой, плата начнёт повышать заполнение управляющего сигнала #CONTROL 4-пинового разъёма.
• CPU Min FAN SPEED (%) - минимальный коэффициент заполнения сигнала #CONTROL для поддержания минимальных оборотов кулера на температурах ниже целевой. На моей плате доступны 8 значений с шагом 12,5% от 0 до 87,5%.

Различаются три зоны регулирования оборотов вентилятора. Первая зона – ниже CPU Smart Fan Target. Скорость вращения в этой зоне определяется настройкой CPU Min FAN SPEED (%). Нужно ли вращаться вентилятору, когда температура процессора ниже 40°C – отдельный вопрос, но в данном случае мне это очень пригодилось. Об этом будет сказано отдельно.

По достижении температуры CPU Smart Fan Target, начинается зона активного ШИ-регулирования. Системная плата увеличивает коэффициент заполнения сигнала #CONTROL пропорционально отклонению температуры ЦПУ от Smart Fan Target. Этот коэффициент пропорциональности измеряется в процентах коэффициента заполнения на градус Цельсия, %/°C, показывает, насколько остро система будет реагировать на превышение заданной температуры. В моём случае коэффициент не регулируется через BIOS, и скрыт от пользователя. Есть системные платы, позволяющие его корректировать. К этому надо быть готовым – не все сходу могут разобраться с настройками терморегулирования, учитывая их разнообразные названия (но единую сущность).

По достижении 100% заполнения сигнала #CONTROL, начинается зона, в которой вентилятор работает на полную производительность. Обычно, соответствует высоким нагрузкам на ЦПУ. Слишком частый выход на полные обороты может указывать на то, что система охлаждения плохо справляется с теплоотведением.

Рабочие точки системы терморегулирования вентилятора ЦПУ разобраны в [1], и показаны на рис. 2. с моими пояснениями.

Рис. 2 Рабочие точки системы терморегулирования

Цоколёвка разъёма вентилятора приведена на рис.3. Если вентилятор не поддерживает ШИМ-управление частотой вращения, тогда контакт 4 – отсутствует. Если и таходатчика нет, тогда отсутствуют контакты 3 и 4. Положение выступов-ключей для 3х и 4х контактных вентиляторов - неизменное. Таким образом, у вентиляторов сохраняется совместимость по разъёмам.

Рис. 3 Цоколёвка разъёма вентилятора

Рис. 4 Сигнал #CONTROL. Горизонт – 10 мкс/дел, вертикаль – 1 В/дел, частота 23,4 кГц, заполнение - 37% (в BIOS выставлено 37,5%).

Параметры управляющего скоростью сигнала #CONTROL сигнала можно найти в [1]. Амплитуда – 5 В, выход типа "открытый коллектор" с подтягиванием к +5 В. Частота около 22 кГц. С разъёма CPUFAN на системной плате при работающем вентиляторе мной снята осциллограмма сигнала, показанная на рис. 4. На рис. 4, параметр CPU Min FAN SPEED (%) выставлен в BIOSе на 12,5%. Заполнение импульса составляет 12,5%, что соответствует выставленному в BIOS значению. При установке других значений, получается соответственно.

При составлении принципиальной схемы, ход мыслей был таким:

1. Подключиться к разъёму CPUFAN на системной плате.
2. Сигнал #SENSE транзитом коммутировать с соответствующим контактом 3-pin вентилятора для сохранения возможности мониторинга оборотов.
3. Регулирование 3-pin вентилятора осуществлять постоянным напряжением, относительно минуса, т.е., регулирующий элемент поместить в плюсовой цепи.
4. Используя сигнал #CONTROL, управлять P-канальным (или PNP) ключом, коммутирующим напряжение питания +12 В.
5. Учитывая необходимость получения постоянного напряжения питания, применить диодно-индуктивно-ёмкостной интегратор.
6. Рассмотреть возможность питания схемы от 4-пин разъема CPUFAN и отдельного питания от шины +12В блока питания для разгрузки разъема CPUFAN.

Получилась схема, очень похожая на обычный понижающий импульсный стабилизатор, только без явной обратной связи и контроллера, роль которого в данном случае, выполняет системная плата.

Наблюдается прямо пропорциональная (при непрерывном токе дросселя) зависимость выходного напряжения схемы от заполнения сигнала управления: Uвых~12*D (Вольт), где D – коэффициент заполнения, 0..1. Потери на активных сопротивлениях для упрощения, не берутся в расчёт. Это делает регулирование предсказуемым даже без мониторинга оборотов.

На рис. 5 показана универсальная схема управления вентиляторами, с питанием от разъема процессорного вентилятора CPUFAN. Условно ведущий вентилятор – 4 контактный, с поддержкой сигналов #CONTROL и #SENSE. Условно ведомые вентиляторы все остальные – 2х, 3х-контактные, будут регулироваться тем же напряжением и по тому же алгоритму, что и ведущий. Линия Sense будет работать корректно только с одним вентилятором (либо с разъемом 4-пин, либо с 3-пин). Всего можно подключить до 4х вентиляторов (по схеме "4+2+2+2" либо "3+2+2+2"). 

Рис. 5 Принципиальная схема управления вентиляторами с питанием от разъема CPUFAN

Общая цепь питания вентилятора и таходатчика, остаётся неразрывной, регулирование осуществляется по плюсовому проводу. VT3, включён по схеме общий исток в плюсовую цепь питания, работает в ключевом режиме. Сопротивление потерь схемы складывается из Rdson и сопротивления Rdc дросселя, не превышает 1 Ом. Полное (штатное) напряжение на вентиляторе не менее 11 В, проблем с неполным использованием питающего напряжения не возникает. Вентилятор питается сглаженным напряжением с низким уровнем пульсаций, дополнительных шумов двигателя вентилятора, связанных с ШИ-регулированием нет, таходатчик и управляющие ИМС в составе двигателя работают полностью штатно. Низкое выходное сопротивление схемы даёт возможность запускаться вентиляторам при выходном напряжении менее 4 В, в зависимости от типа. По этой же причине, зависимость оборотов от числа подключенных параллельно вентиляторов - небольшая и обусловлена выходным сопротивлением схемы (<1 Ом). Устраняется выбором VT3 и L1 с меньшим сопротивлением по постоянному току. При настройке BIOS системной платы, рекомендуется выставлять минимальные обороты с учётом работоспособности применяемых вентиляторов на низких напряжениях питания.

Для схемы рис. 5, 6, R1 – токоограничительный резистор. Его величина должна быть достаточно большой, чтобы не искажать сигнал управления #CONTROL. Транзистор VT1 инвертирует сигнал управления, заряжая затвор VT3 до -11..-12В для отпирания. VT2 с резистором смещения R2 ускоряют разрядку затвора VT3 при его закрывании. Эти меры нужны для сохранения на низком уровне потерь на переключение. Диод Шоттки - фиксирующий (нулевой), поддерживает ток дросселя в паузах между импульсами. Дроссель L1 интегрирует импульсы напряжения, выделяя их среднее значение, которое прикладывается к вентилятору.

При выставленном в BIOS параметре CPU Min FAN SPEED 37,5%, на вентиляторе наблюдается напряжение 4,2 В, он устойчиво запускается и вращается.

Защита от короткого замыкания и перегрузки выполнена на SMD PTC-предохранителе многократного действия. Конденсатор C1 необходим для исключения выбросов напряжения на входе, вызванных импульсным потреблением тока. Конденсатор С2 подавляет пульсации как с частотой ШИМ, так и с частотой коммутации самого вентилятора.

Все детали, кроме дросселя L1 и штыревых разъёмов - SMD. Резисторы – типоразмера 0805. VT3 - P-канальный МОП-транзистор (p-MOS) IRF6216 на 150 В и Rdson 0,25 Ом в корпусе SO-8. Можно и лучше с точки зрения полного заряда затвора применить ключ на 25-30 В. Маломощные биполярные транзисторы VT1, VT2 - типа MMBT3904 (маркировка 1AM, K1N). Их можно заменить на PMBT2222 (маркировка 1B), PMBT2222A (1P). Вместо VT1 можно установить малосигнальный n-МОП транзистор 2N7002 (702) без корректировки печатной платы. В этом случае R1 надо взять 1 кОм.

Диод VD2 - Шоттки SS12 (1 А, 20 В). Конденсаторы C1 и C2 - малогабаритные, танталл, 47-100 мкФ 16-20 В.

Дроссель L1- гантелька, на 500 мкГн, максимальный ток должен соответствовать суммарному потреблению всех вентиляторов (1..1,5А). RDC дросселя - не более 0,5 Ом. Индуктивность, выбирается с учётом минимального тока нагрузки. Если предполагается работа с маломощными вентиляторами и малыми токами, индуктивность надо увеличить для сохранения неразрывного тока дросселя. Для перепроверки режима работы дросселя, можно воспользоваться программой Drossel из пакета All_In_One автора @Starichok (Денисенко В.)

Штыревые разъёмы – однорядные PLS. Такими к системным платам подключаются передние панели, кнопки, USB-порты. Их можно заменить соответствующими 3х- и 4х- пиновыми разъёмами с ключами предназначенными для вентиляторов.

Предохранитель F1 исполнения под поверхностный монтаж SMD1812P110TF/33, полупроводниковый от Polytronics. Вместо указанного подойдут и другие типы, например MF-MSM..(Bourns-Multifuse), mini-SMD.. (Tyco-Polyswitch) на ток срабатывания 1,5..2 А.

На рис. 6 показана принципиальная схема управления вентиляторами с питанием от шины +12В Molex. Выходной разъем 4-пин питается штатно, от 12В, поступающих от 4-контактного разъема процессорного вентилятора. Сигнал ШИМ снимается оттуда же. Схема управления имеет некоторые отличия. Для улучшения совместимости, вместо биполярного VT1, использован маломощный N-MOSFET 2N7002, затвор которого притянут к линии +5В. Активный уровень входа (высокий) - присутствует на затворе по умолчанию, без подключения к разъему CPUFAN. Схема ШИМ питается от относительно мощного 4х-контактного свободного разъема molex системного источника питания ATX. Это дает возможность увеличить число управляемых вентиляторов и разгрузить разъем CPUFAN на системной плате ПК. В остальном, схемы на рис. 5 и рис. 6 аналогичны.

Рис. 6 Принципиальная схема управления вентиляторами с питанием от Molex

Плата управления с питанием от CPUFAN собрана на малогабаритной плате 60*15 мм, с двумя отверстиями для монтажа ᴓ3 мм. Монтаж платы в ПК - на стандартном уголке от плат расширения (рис. 7). Подключение - коротким (15-20 см) 4-жильным кабелем к разъёму CPUFAN на системной плате. К смонтированной плате подключается 3 или 4-пиновый кулер процессора с мониторингом оборотов. К другим разъёмам можно подключить вентиляторы всаса и вытяжной (2-пиновые) без мониторинга оборотов.

Всего собрано 5 экземпляров устройств по универсальной схеме с питанием от molex, с питанием от CPUFAN, которые работают в системных блоках, совместно с различными системными платами (ASRock G31M-S, MSI P43-NEO F и т.п.).

В некоторых случаях глубина ШИМ-регулирования невелика, что связано с особенностями BIOS системной платы(G31M-S). В большинстве случаев, обороты вентиляторов регулируются адекватно вычислительной нагрузке, с ШИМ-регулированием шум от системы охлаждения небольшой, особенно, когда не запущены ресурсоёмкие приложения.

Для удержания на комфортном уровне температуры жёстких дисков, необходимо обеспечить минимальную продувку системного блока настройкjq минимальной скорости вращения вентиляторов (параметр BIOS CPU Min FAN SPEED). 

Выводы

Удалось получить хорошую совместимость с различными корпусными вентиляторами. Появилась возможность поставить в соответствие общей вычислительной нагрузке практически все шумные системные вентиляторы. То есть, сделать ПК значительно тише, когда от него не требуется высокой производительности, при максимальном использовании существующего контура (контуров) регулирования на системной плате.

Используемая литература

1. Document Number: 320467-011, Intel® Pentium® Dual-Core Processor E6000 and E5000 Series Datasheet, November 2010, страницы 97, 98.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• ШИМ
• FAN
• Sprint-Layout
• Electronics Workbench
• Термостат
• Micro-Cap