作者：Digi-Key工程师 Rick Wiens
这是风扇选型及应用指南的附属网页，其中讨论了Digi-Key各种风扇产品的电气内容。在这些产品的供电方式和辅助信号输入和输出的表现以及这些模式中值得注意的微妙变化中，存在一些普遍趋势和模式。
直流风扇
图1显示了在撰写本文时，直流风扇库存中不同互连方式的相对比例。可以理解的是，普通导线引脚类型占主导地位——在确定客户所需的特定连接器和引脚布置前，厂商几乎没有理由花费时间和精力来使用连接器。
带有基础双导体接口的直流输入风扇非常简单；只需将其连接到极性正确的合适直流电源，然后启动即可。避免颠倒电源引脚；现代的直流风扇是由电子控制的，旋转方向不能通过交换供电引脚来逆转。虽然许多设备都集成了反向电源保护，能够很好地容忍这种情况，但未集成此类保护的设备可能会因（错误）连接的电源所提供的电流大小而受到损害。
图 1. 撰写本文时Digi-Key库存的直流风扇终端样式图。
信号输出
反馈或速度控制特性通常会分别增加额外的信号导体；小型直流风扇的常见做法是使用负极电源导体作为信号导体的共享参考点。小型直流风扇的典型输出信号是通过开路集电极（或开路漏极）输出实现的；风扇的输出引脚连接到风扇内晶体管的集电极或漏极，要么创建接地路径，要么通过相反方式提供输出信号。
这种方法能够实现高度灵活性，只要风扇和逻辑输入共享相同的电源（接地）参考点，即可只通过单个电阻便让风扇的信号输出连接到公共逻辑输入。在使用这类设备时：
- 选择上拉电阻值，将流经晶体管的电流限制在规定的最大值以下。
- 将上拉电压限制在规定的最大值以下。某些设备的最大值为绝对值，其他设备还会添加不超过风扇电源电压的条件。
请注意，虽然这种结构很常见，但并不通用；例如，其他设备可能将上拉电阻集成到风扇电源或其他电压，这可能带来方便，也可能造成麻烦。如需详细信息，请查看厂商文档。
图 2. 小型直流风扇典型输出电路的代表性示例，摘自ASB0312HA-AF00规格书。虽然直流风扇的供电引脚通常是红色和黑色，但其他引脚颜色可能有所不同。
转速传感器（转速表）输出
小型直流风扇的典型转速表输出信号是一种方波，转子每转一圈为某个整数周期；通常每转一圈为两个周期，但也可能适用其他周期。通过测量这一信号的频率，便能测出风扇转速。虽然这种信号在堵转条件下可能会存在稳定的逻辑电平，但通常来自转子位置，如果转子移动较小，就可能改变状态，这可能是风扇试图自动重启。
图3摘录自ABS0405HHA-AF00规格书，是常见转速表信号时序的示例。如果相邻信号转换的时间(t)以秒为单位，风扇转速(RPM)就等于15/t。
图 3.
锁定转子传感器输出
与转速表输出不同，典型的锁定转子传感器输出在正常运行期间保持稳定的逻辑状态，并在检测到锁定转子时改变状态。因此，虽然无益于风扇转速测量，但它只需较少说明，即可确定是否发生锁定转子情况。此类输出的响应通常有些迟缓，在适用功率或出现/解决锁定转子情况后，需要一些时间来提供有效输出。
图4摘录自Sanyo Denki的冷却风扇目录，描述了代表性的锁定转子行为；请注意，风扇状态变化和信号输出之间的时滞是以秒为单位的。
图 4.
信号输入
与信号输出一样，直流风扇的典型信号输入使用负极电源引脚作为共享电压参考点。大多数风扇将输入信号引脚连接到内部晶体管的基极/栅极，通过既能在输入时免受静电放电又能实现默认开启的结构，没有控制信号时也能使用。就可接受的信号源而言，大多数设备都很灵活，可以处理从低于3V到风扇电源电压以上的任何逻辑电平信号，鉴于内部的上拉结构，许多设备也能很好地通过开路集电极/开路漏极信号源运行。然而，正如图5的例子所示，这些结构确实存在微妙变化，并产生了不同的要求、限制和辅助行为。特别是，应当注意到电流从风扇电源流向连接的控制电路的可能性；这是易被忽视的细微差别，可能造成一定问题。
图 5. （从左至右）：AUB0812VH-SP00、ASB0305HP-00CP4和EFC0812DB-F00规格书中的内部PWM输入结构图，其标称电源电压分别为12V、5V和12V。
9AH0812（图6）和AUB0812VH（图7）展示了不同的速度控制输入行为的示例，其中规格书对内部输入结构插图的描述是在使用图8所示的开路集电极电路驱动输入时捕获的。两者之间信号输入端的“开路”电压相差近10倍，在9AH0812中，输入结构图似乎更像是一种概念，而非字面意义；该图表明输入端为双极性晶体管供电，而信号上升沿的平台和最大电压令人联想到FET输入。
图 6.
图 7.
图 8.
转速控制技术
电压速度控制
调整应用于直流风扇上的电压是实现转速控制的一种手段，或者反过来说，电源电压的变化影响风扇转速。两者之间的关系趋于线性；9AH0812P4H04所测的数据示例如图9所示。该设备的额定工作电压范围为直流10.2～13.8V，但在室温下，当电源电压降低至约3.5V或标称的29%时，该示例继续适用；从转子停止状态重启，需要将电源电压增加到3.8V。磨损、温度变化和其他变量会影响特定情况下的最低可维持速度；
这种方法的主要好处是电气噪声最小；风扇电机的换向过程不可避免会产生变故，但几乎不存在其他问题，具体如图10的截图所示。如果严格遵守厂商推荐的工作条件，使用这种方法的速度调节范围通常很窄，并且产生的可变电源电压通常会带来一定麻烦；使用线性技术会产生多余热量（通常是使用风扇时试图消除的东西），开关模式技术会产生电气噪声，这与首先使用电压型速度控制的意义背道而驰。
图 9. 测量的风扇速度与80mm管轴式风扇的电源电压对比。
图 10. 使用电压速度控制的9AH0812P4H04波形。布线1（黄色）显示风扇的转速表输出，布线2（蓝色）显示电源电压，布线3（粉色）显示电源电压的交流耦合版本，布线4（绿色）显示流经风扇的电源电流。
PWM速度控制
小型直流风扇的典型速度控制输入要求25 kHz的方波输入，风扇速度与所施加方波的占空比相对于。所用信号占空比和相应风扇速度之间的确切关系是变化的；虽然两者之间的关系几乎总是成正比，但在所应用的占空比低于某个最小值时，一些设备保持最小速度，而另一些设备则试图遵循速度指令，下降至零。大多数小型直流风扇难以维持低于额定值20-30%的稳定速度，并且不能保证在低速状态下运行。
在图11的“范围图”中，我们可以看到，样例设备使用所施加的PWM信号作为风扇电机结构电源电压的内部定时调制命令；电流波形的包络形状与自由运行情况类似。请注意，所施加的信号并不直接调制电源电流；它们的频率不同。同样值得注意的是通过这种速度控制方法在供电网络上产生的高频噪声量以及哪怕是小型滤波电容的降噪效果；仅增加4.7uF就使电源的纹波电压降低了约100mV，电源电流减少约100mA。
图 11. 9AH0812P4H04所测波形，在不使用（左）和使用（右）4.7uF并联电容的情况下将PWM速度控制在50%。布线1（黄色）显示转速表输出，布线2（蓝色）显示PWM信号输入，布线3（粉色）显示（交流耦合）风扇电源电压，布线4（绿色）显示通过风扇/风扇+电容的电流波形。
DIY PWM速度控制
另一种“自己动手”的直流风扇PWM速度控制方法包括以几十赫兹的低频率直接调制应用于风扇的电源电压，利用风扇转子组件的机械惯性作为过滤器来平均应用功率，从而降低风扇速度。这种方法不需要制造商提供的速度控制输入，与风扇电源电压的线性调节相比，它保留了PWM技术的效率优势。
这种技术的缺点是，它使基于无刷电机的风扇控制和换向机制受到不明确的电气压力，因此，该技术往往遭到风扇厂商的反对。其他缺点包括PWM频率下的扭矩纹波导致机械噪音增加、转速表/锁定转子输出信号的使用受到干扰以及需要提供额外组件。虽然这项技术确实能“有效”控制风扇速度（而且效果好到生产专门的IC来推广这一用法），但其设计者要对风扇可靠性的相应不良影响负责。在使用这种方法控制速度时，建议限制风扇的电压变化率，以便应对这些缺点。
图 12. （左）DIY速度控制的基本概念图和（右）样例规格书摘录，重点标出了对以此方式实现速度控制的警告。
交流风扇
Digi-Key所售的多数交流风扇的电气接口均由两根电源导体组成，在不考虑极性的情况下便可连接至交流电源，还有一小部分（主要为配有导电框架的风扇）采用第三根导体作为屏蔽地线。相对较少的小型交流风扇包含控制或反馈特性，标准做法是将之与交流电源绝缘，因此纳入这些特性的设备至少需要四导体的电气接口。然而，许多双电压设备也有四导体接口，因此，交流风扇配备的导体数量在包含设备特性方面的可靠性不如直流风扇。
图 13.
线路频率效应
大多数传统的交流输入风扇都是基于某种感应电机，通常在50或60 Hz的交流线路频率下运行。由于感应电机的速度与线路频率密切相关，与在60 Hz下运行相比，50 Hz电源将导致风扇速度降低，风扇特性曲线向原点大幅“收缩”。新一代的电子换向交流输入风扇通常不易受到这种影响，因为它们会整流所应用的交流输入，并借此驱动本质属于无刷直流电机的装置。
然而，对于传统的感应式交流风扇而言，这可能会造成很大的混乱；线路频率的差异会导致转速的差异，从而导致额定风量和静压额定值的差异，而且并非总能确定（或统一）参考哪组数字。文件记录完善的厂商将提供两种情况的信息；文档记录不完善的制造商可能会对50或60 Hz运行的产品进行评级，只发布一组数字和一条曲线，没有明确提到适用哪种情况，也没有表明这种情况可能非常重要。
在后一种情况下，应当注意的是，带有感应电机的交流风扇在50 Hz时的标称速度、风量和静压将低于60 Hz的数据。最好进行测试，但如果绝对必须对此类情况做出假设，建议权衡任一方向错误的后果，并根据后果没那么严重的情况进行假设。
同样，这只适用于使用感应电机及其衍生产品的交流风扇；一般情况下，电子换向型交流风扇并不挑剔。
图 14. 摘录自SP103A-1123LST.GN规格书，显示了交流输入频率差异所导致的特性曲线偏移。