L'alimentazione del PC

INFORMAZIONI TECNICHE

Le ventole del PC
Ventole a 4 fili - PWM

Ventole a 4 fili - controllate in PWM

Da un certo tempo, finalmente, i costruttori di componenti per PC si sono accorti che era il caso di fare qualcosa per ridurre il rumore del sistema che, causa le alte potenze dissipate in calore, stava diventando ben poco adatto ad un ambiente di lavoro normale e tanto meno ad una casa. Dato che la massima parte del rumore è prodotta dalle ventole ed, in particolare, da quella della CPU, punto in cui il picco di potenza dissipata può essere massimo rispetto agli altri componenti, ecco che si è arrivati a prevedere a bordo della scheda madre un sistema di regolazione della velocità di queste ventole, magari gestito direttamente dal firmware del BIOS.
Questo consente di utilizzare ventole "normali" di basso costo.

l problema si focalizza allora sul sistema per variare la velocità di queste ventole : dato il tipo di motore che abbiamo fino ad ora visto, il sistema di controllo più semplice consiste in un transistor in serie all' alimentazione positiva, la cui variazione di resistenza in funzione della temperatura fa variare la velocità della ventola. Questo sistema, largamente usato nei regolatori commerciali,m presenta il problema di dissipare in calore una potenza proporzionale alla resistenza ed alla corrente. Come abbiamo visto, si tratta di grandezze sull' ordine del centinaio di milliwatt, ma che, comunque, sono perse in calore sui piccoli componenti surface mount (sm) della scheda madre e quindi poco graditi.

Certamente il metodo PWM consentirebbe di ridurre drammaticamente le perdite di potenza, ma, se applicato esternamente al motore, ha alcuni difetti gravi : si verifica un aumento della rumorosità del motore, sopratutto a basso numero di giri (proprio l' opposto di quello che si vuole ottenere), dovuto alle risonanze tra impulsi del PWM e pilotaggio delle bobine in relazione al sensore di Hall; inoltre la tensione di alimentazione impulsiva, con la necessità di gestire l' intera potenza richiesta dal motore, aggiunge disturbi elettrici tutto attorno ai cavi di collegamento ed alla stessa ventola (altra cosa che il motore brushless dovrebbe evitare).

A qualcuno in Intel, peraltro dopo un notevole periodo di insensibilità al rumore prodotto dalle ventole dei sistemi di raffreddamento proposti per i propri processori e, forse sensibile all' "enorme spreco" di energia della regolazione lineare delle ventole, è venuta improvvisamente la bella idea di realizzare una motorizzazione innovativa delle ventole. Si adotta certamente il metodo PWM (che non spreca energia sulla scheda madre), ma con un differente approccio : come visto in precedenza nell' esempio delle ventole termo controllate, integrando il controller PWM nel motore, esso viene ottimizzato dal progettista per ottenere le migliori prestazioni, senza i difetti prima detti.
Allora, a comandare la rotazione, la scheda madre invia su un ingresso apposito della ventola un segnale PWM, a livello logico, che il controller interno provvederà a trasformare in variazioni del campo rotante del motore, cambiandone la velocità. Non viene, quindi, variata la tensione di alimentazione della ventola, che resta costante, e non c'è trasferimento di potenza modulata in PWM; il segnale PWM resta a livello logico
Sostanzialmente si tratta di una applicazione simile a quella vista per le ventole termo controllate in cui, però, non è la variazione di temperatura di una sonda locale a formare il segnale PWM, bensì questo, sempre in funzione della temperatura, gli arriva dall' esterno, sotto la gestione di un sistema integrato nella scheda madre.

Quali sono i vantaggi che fanno proporre un sistema apparentemente così complesso rispetto ad una semplice regolazione lineare della tensione di alimentazione ?

la perdita di potenza nella regolazione, con il metodo PWM, è minore che con una caduta di tensione lineare sull' alimentazione
la scheda madre gestisce solamente segnali logici e non di potenza. A mettere in pratica questi comandi ci penseranno le periferiche "intelligenti"
il controllo PWM integrato evita i problemi di rumore e disturbo che avrebbe un PWM esterno in serie al motore
il range di regolazione della velocità è molto più ampio nei sistemi con PWM integrato rispetto a quello ottenibile con la varizione esterna della tensione di alimentazione

Lo schema a blocchi della situazione prospettata è il seguente :

Perchè questa scelta ? Principalmente per queste considerazioni :

la sonda di rilevamento della temperatura delle CPU Intel è, da tempo, interna al processore stesso e quindi in grado di rilevare la reale temperatura del chip molto più efficacemente che non un sensore posto esternamente.
dato che il sensore esiste già nel processore, non c'è ragione di averne un' altro esterno
la gestione del rapporto velocità/temperatura è a carico del sistema integrato sulla scheda madre e non richiede altri dispositivi aggiunti o integrati nella ventola
nel circuito di controllo della velocità (posto sulla scheda madre) non è dissipata potenza inutile, perchè esso genera solamente un segnale PWM a basso livello, proporzionale alla temperatura
dato che le risorse dell' health monitor comprendono già la misura non solo della temperatura del processore, ma anche quella dell' ambiente, si potranno controllare anche le velocità delle ventole dello chassis con lo stesso sistema, estendendone i benefici all' intero chassis

Dal processore, l' informazione della temperatura rilevata dal diodo interno è trasmessa al controller.
Attraverso il setup e le funzioni estese del BIOS esiste la possibilità di configurare varie opzioni relative alle modalità di controllo (limiti, allarmi, rumore/prestazione, ecc).
Il controller, in base alla temperatura ed alle opzioni impostate, invia un segnale PWM alla ventola del radiatore per regolarne la velocità; da questa riceve un segnale tachimetrico relativo alla reale velocità di rotazione.
La ventola ha un connettore a 4 pin ed è alimentata alla tensione standard di 12V.
Il controller può essere facilmente progettato per avere la possibilità di gestire ulteriori ventole PWM o a tre fili, dedicate allo chassis.

Dunque, il circuito di controller genera un PWM, ma non fornisce una tensione di alimentazione impulsiva variabile, bensì solo un segnale a livello logico; sarà il sistema integrato nella ventola a generare il campo rotante sullo statore in funzione del PWM e , di conseguenza, a variare la velocità delle pale. Si raggiunge un optimum per cui la scheda madre gestisce solo segnali logici e le periferiche intelligenti, in questo caso le ventole, si preoccupano della trasformazione dei segnali di comando in azioni, in questo caso in variazione della velocità, senza essere soggetta ad una rumorosa tensione di alimentazione PWM.

Dal punto di vista circuitale si tratta di una soluzione basata interamente su appositi circuiti integrati, del tutto simile a quella vista per le ventole termo controllate; l' unica differenza consiste nel fatto che il segnale di ingresso non è quello del termistor, bensì il PWM che arriva dalla scheda madre. Il controller interno provvede a trasformare questi impulsi in variazioni di velocità.

Qui a fianco è presentata una possibile implementazione, basata sul chip ZXBM1004 di Zetex : lo schema è ben più complesso di quello della semplice ventola tachimetrica.

Il circuito integrato necessita di parecchi componenti esterni, tra cui si nota il solito sensore di Hall per il sincronismo.

Un transistor fa da separatore per il segnale PWM che arriva dal connettore a 4 poli.

In questa specifica applicazione, il driver del motore è un ponte (full bridge) di transistor MOSFET.

Altri costruttori di semiconduttori offrono prodotti similari.

Il connettore a tre poli per il collegamento sulla scheda madre viene ingegnosamente sostituito da un connettore a 4 poli, ma che ne è, in un certo senso, solo una espansione, del tutto compatibile ed intercambiabile.

Informazioni più complete sul connettore sono disponibili più avanti.

Lo standard per le ventole a 4 fili stabilisce anche i colori, che dovrebbero essere Nero, Giallo, Verde, Blu (Intel), anche se si trova comunemente Nero, Rosso, Giallo, Blu. Comunque non è il colore del cavo a determinarne la funzione, ma la sua posizione nel connettore.

Il segnale PWM è costituito da impulsi ad onda quadra, ad una frequenza attorno ai 20kHz e con duty cicle variabile : minore è il tempo ON, minore sarà la velocità. Il livello alto del segnale è 12V. Nel caso in cui questo pin non venga usato, un pull up interno lo mantiene a livello alto, facendo girare la ventola alla massima velocità; ponendo questo pin a massa, la rotazione si blocca.

Sarebbe una soluzione eccellente, senonchè presenta un piccolo difetto : richiede, come abbiamo visto, che il circuito interno di controllo della ventola sia totalmente modificato. La ventola deve diventare una periferica "intelligente". Per utilizzare il sistema PWM non è più possibile usare una comune motorizzazione come quelle viste in precedenza, ma occorre realizzarne una con un diverso circuito, ben più complesso. Ovvero, tutte le ventole comuni a tre fili non possono essere controllate in questo modo : occorre disporre della speciale ventola con connettore a 4 fili !

Il problema, dal punto di vista tecnico, è facilmente risolto : in sostanza si tratta di realizzare un circuito integrato con funzioni assai simili a quelli visti in precedenza per le ventole termo controllate e a questo ci hanno pensato numerosi costruttori di semiconduttori.
In ogni caso, è stato stabilito uno standard per queste ventole in PWM, il che fa presupporre che se ne preveda una futura ampia diffusione, vista anche la disponibilità di chip speciali per questo impiego nel catalogo di diversi costruttori di semiconduttori, il che dovrebbe invogliare i produttori di ventole ad inserire nei loro cataloghi anche modelli PWM.

Altre informazioni sul tema delle ventole a 4 fili sono reperibili nella sezione dedicata al controllo della velocità delle ventole.

Ventole PWM termo controllate

Una variazione sul tema è costituito dalle ventole che dispongono di un controller in grado di gestire sia un segnale PWM esterno, sia un sensore di temperatura, combinando così le funzioni già viste delle ventole termo controllate e di quelle PWM a 4 fili.
Al momento la diffusone è limitata ad alcuni prodotti OEM.

Nella pagina successiva, una tabella comparativa riassume le funzioni fin qui viste.

Per quanto riguarda la compatibilità tra ventole a 3 e 4 fili, una pagina seguente spiega con chiarezza il problema.