Hardware - Controle dos FANs

Este artigo é dedicado à explicar sobre o controle de rotação e monitoramento do RPM das ventoinhas presentes em placas-mãe de desktop e notebook!

Para que tudo funcione sem pegar fogo, é essencial o uso de sensores de temperatura e também de ventoinhas. Por este motivo que nas placas de desktop e notebook há um complexo circuito de controle, com direito a tacômetro e diodo térmico.

Vamos começar pela Intel Corporation e seu padrão de gerenciamento de cooler!

Intel

Os coolers BOX da Intel para socket LGA775 e superiores possuem quatro fios, cada um com uma cor padronizada. Veja abaixo a imagem de um conector para cooler em uma placa-mãe feita para processadores da marca:

Imagem 1 - Próximo destes conectores pode estar serigrafado "CPU_FAN".

A tabela abaixo mostra o conector e a utilidade de cada fio com sua respectiva cor:

Imagem 2 - Pinagem

A grande maioria dos AirCoolers fabricados por outras empresas podem ser compatíveis com este conector CPU_FAN da Intel.

Como você pode ver, o conector onde é plugado o cooler também possui um fio de controle, onde é mandado um sinal PWM vindo do respectivo pino do Super I/O. Se você acha que no cooler há apenas um motor, está completamente errado!

Há um amplificador, um controlador de motor DC Brushless e um sensor Hall. Veja a imagem da placa do motor abaixo:

Imagem 3 - Placa de circuito de um Motor DC Brushless (Plataforma Intel)

Para ver o datasheet de um modelo semelhante ao amplificador utilizado no Cooler BOX da Intel, CLIQUE AQUI!

Abaixo, o diagrama do controlador do motor DC Brushless:

Diagrama 1

Apesar deste padrão da Intel ter surgido com o socket LGA 775 há mais de dez anos atrás, os processadores para sockets atuais vem com um sistema de refrigeração com esta mesma interface de controle, apenas aprimorada.

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AMD

Para a Advanced Micro Devices, mais conhecida como AMD, temos um padrão parecido com o da Intel para gerenciamento de cooler, com direito a tacômetro e controle de rotação. A principal mudança é a cor de cada fio. Veja a imagem de um conector para FAN em uma placa-mãe para processadores desta marca:

Imagem 4 - Conector CPU_FAN em uma placa para plataforma AMD

Veja a pinagem do conector e as cores de cada fio:

Imagem 5 - Pinagem

Um cooler BOX para processador AMD pode ter um circuito mais simples, com apenas um controlador de motor DC Brushless e o sensor Hall. Veja a imagem da placa do motor abaixo:

Imagem 6 - Placa de circuito de um Motor DC Brushless (Plataforma AMD)

CLIQUE AQUI para ver o datasheet do controlador ON Semiconductor LB11961 responsável por movimentar o rotor, regulando e monitorando sua rotação.

Agora, compare os dois conectores, o da Intel e o da AMD:

Imagem 7 - A única diferença é a cor dos fios

OBSERVAÇÃO: Ao substituir o Cooler Box por qualquer outro sistema não original, a interface de gerenciamento irá operar da mesma forma, como veremos mais adiante neste texto, com o monitoramento do Duty Cicle dos FANs de um Water Cooler!

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Chassis FAN (CHA_FAN)

Nas placas-mãe também é comum encontrar um conector onde está escrito "CHA-FAN" ou "SYS_FAN", ou seja, a ventoinha que deve ser parafusada em algum ponto da estrutura do gabinete. Algumas placas mãe suportam duas ventoinhas deste tipo. É um conector de 3 pinos e que não há controle de rotação, apenas tacômetro. Veja a imagem de um conector CHA-FAN em uma placa-mãe:

Imagem 8 - Conector CHA-FAN

Veja a pinagem padrão dos conectores CHA_FAN:

Imagem 9 - Pinagem

Algumas placas-mãe, como por exemplo a ECS AMD690GM-M2 há um conector CHA_FAN igual ao conector CPU_FAN. Isto não interfere em nada. Apenas o fio para controle de rotação se torna opcional na ventoinha que vai fixada na estrutura do gabinete, isto pois ela precisa apenas drenar o ar para dentro ou fora do gabinete, portanto, pode ficar o tempo todo em velocidade máxima.

Para o CHA_FAN, apenas ligar uma linha de +12 Volts já é suficiente. O motor também é do tipo DC Brushless e há apenas o sensor Hall ligado direto ao fio três.

OBSERVAÇÃO: Conectar um cooler qualquer que possua interface de quatro fios num conector de apenas três pinos vai funcionar. Faça o teste: Ligue o seu Cooler Box original em uma porta CHA_FAN e verás que a ventoinha vai ligar e permanecer em velocidade máxima independente da temperatura, afinal, não há um sinal PWM oriundo do Super I/O para fazer o controle do RPM.

CURIOSIDADE: Caso queira saber como funcionam os motores DC Brushless aplicados nestes Coolers, CLIQUE AQUI!

O que é PWM?

Em algumas partes do texto utilizamos a sigla PWM, que significa Pulse-Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso) e é a partir dela que a tensão para a ventoinha é gerada.

Para entender melhor isso, você deverá saber o que é frequência. Caso você não saiba, o HC tem um artigo sobre o assunto, basta CLICAR AQUI!

Se quiser saber sobre o clock em circuitos digitais, CLIQUE AQUI!

O PWM é uma onda quadrada numa determinada frequência. Alterando seu Duty Cicle, isto é, o tempo em que esta onda permanece em nível alto, podemos alterar a tensão final do circuito de alimentação. Veja o gráfico abaixo:

Gráfico 1

Veja o GIF abaixo, que também te ajudará entender isso:

GIF 1

Conforme alteramos o Duty Cycle, alteramos a tensão média e também a potência. Veja este outro GIF:

GIF 2

A linha azul subindo e descendo mostra que, conforme aumentamos a largura de pulso, aumentamos a tensão média.

Para calcular a tensão média (Vm) de um sinal PWM qualquer, devemos saber a porcentagem do tempo em que a onda permanece em nível HIGH (alto) durante um ciclo - que também pode ser chamado de período - e multiplicar pela tensão em que o nível HIGH atinge (V).

Por exemplo, uma onda com um Duty Cicle de 50% no nível alto a uma tensão de +5V:

-> Duty Cycle: 50% = 0,50

-> Tensão do nível HIGH: 5 Volts

0.50 * 5 = 2,5 Volts, ou seja, a tensão média será de 2,5 volts, isto pois cada ciclo permanece 50% do tempo em nível alto e 50% do tempo em nível baixo (LOW).

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O PWM dos FANs

No caso de uma placa-mãe de notebook, servidor ou desktop, quem gera este sinal PWM é o controlador dos FANs presente no Super I/O, ou seja, o responsável é um microcontrolador. Em muitos Super I/O, a fabricante da placa-mãe programa até pinos GPI/O para funcionarem como PWM.

Quando se tratam de ventoinhas que trabalham com 12 Volts e que possuem controle de rotação, o sinal PWM padrão deve estar num espectro entre 21 kHz e e 28 kHz. Perceba que é uma faixa de valores acima do espectro audível Humano, que vai dos 20 Hz aos 20 kHz. Pois bem, na imagem abaixo temos uma placa-mãe Asus M5 A78L-M/USB3 (Super I/O ITE IT8728F) com um Water Cooler PCYes Sangue Frio 2, tendo suas três ventoinhas ligadas em paralelo no mesmo conector CPU_FAN:

Imagem 10 - A frequência do sinal PWM está em 23.43 kHz, ou seja, dentro dos limites do padrão

Quanto ao Duty Cicle, o multímetro acusou 30% durante o uso normal, isto é, com o processador próximo dos 40 °C, sem qualquer overclock e com uma temperatura ambiente perto de 30 °C.

Imagem 11 - Com o PC sendo pouco usado o Duty Cicle é bem baixo neste WaterCooler. Neste momento, os FANs estavam com em torno de 900 RPM

É válido mencionar que essa porcentagem específica de Duty Cicle da imagem acima NÃO É 'NORMA', ou seja, será regido de acordo com o projeto térmico do equipamento (quantidade de calor gerado de acordo com o uso, tipo de sistema de dissipação, especificações da(s) ventoinha(s) e etc.), levando o(s) ventilador(es) a aperar(em) com rotações mais altas ou mais baixas de acordo com a variação de temperatura. Como estamos falando de um WaterCooler com um radiador de 360 mm e três ventoinhas, o Duty Cicle tende a ser um tanto baixo, dada a melhor capacidade de dissipação em relação aos AirCoolers.

Agora, veja este outro exemplo:

Imagem 12 - Uma placa-mãe de entrada datada de 2022

A placa é uma GigaByte GA-A320M S2H (Super I/O ITE IT8686E) utilizando CPU arrefecida pelo Cooler Box, tendo um Duty Cicle naturalemnte mais elevado, mesmo o PC estando ocioso:

Imagem 13 - No dia da aferição notei uma ocilação entre 49 e 70%

No seguinte vídeo faço o monitoramento do Duty Cicle em dois PCs, um com Cooler Box e outro com Water Coooler (os mesmos das imagens anteriormente apresentadas):

Vídeo 1 - O Cooler Box exige um Duty Cicle mais alto para que o FAN permita uma circulação maior de ar, mesmo quando o PC está ocioso

Medindo a tensão do pino quatro em relação ao pino um espera-se um valor entre 1 e 3,3 Volts, de acordo com a tensão de alimentação (+12 V) e a porcentagem do Duty Cicle, por causa do Pull Up interno da ventoinha.

Imagem 14 - Neste momento o Duty Cicle estava em cerca de 50%

Se for medida a corrente de curto entre o pino quatro o chassi deve dar algo perto de 0.8mA, mas de acordo com a especificação esse valor pode chegar a 5mA.

Diagrama 2 - Uma versão simplificada da placa de circuito interna do motor do FAN

Utilizando apenas algumas peças, podemos controlar a tensão de saída de uma fonte de alimentação através de um sinal PWM. Podemos utilizar um amplificador operacional e um regulador de tensão, juntamente com alguns capacitores e resistores SMD, como é costumeiro nos circuitos de alimentação e controle de ventoinhas numa placa-mãe.

EXEMPLO 1: Plataforma Intel LGA775

Para tirar a curiosidade, eu peguei o circuito da placa-mãe Gigabyte GA-8I915P DUO Rev. 1.1 e liguei os pinos de controle e tacômetro de FAN nos respectivos conectores: CPU_FAN e CHA_FAN. Veja os pinos do Super I/O ITE8712:

Diagrama 3 - Gigabyte GA-8I915P DUO Rev. 1.1

Agora observe o circuito de alimentação para o conector CPU_FAN:

Diagrama 4 - Gigabyte GA-8I915P DUO Rev. 1.1

Perceba que o "FANPWM1", o "FANPWM3" e o "FANIO1" estão circulados em verde e que os respectivos pinos do ITE IT8712 estão marcados com uma linha verde.

Para este circuito há um amplificador operacional LM358. A entrada "FANPWM1" é ligada na entrada inversora do amplificador. Dependendo do Duty Cicle e da frequência desta onda, haverá uma determinada tensão na saída do amplificador. Na saída do amplificador há uma entrada de +12V e um regulador de tensão AP3310H. Há também um transistor PNP da Nexperia, modelo PBSS5240T. Ao final do circuito, tem-se a saída "CPUFAN VCC" que é ligada na linha de +12V do conector do cooler e também no "colector" do transistor, no "Drain" do regulador de tensão e na entrada não-inversora do amplificador operacional.

Veja também o diagrama dos dois conectores CHA_FAN presentes nesta placa:

Diagrama 5 - Gigabyte GA-8I915P DUO Rev. 1.1

Perceba que o pino "FANIO2" e "FANIO3" estão circulados em azul e que os respectivos pinos do ITE IT8712 estão marcados com uma linha também em azul.

Esta é a simples lógica de ligação do circuito controlador e monitor de rotação das FANs presente no Super I/O ao circuito de alimentação dos conectores de ventoinha.

EXEMPLO 2: Plataforma AMD AM2

Nosso outro exemplo tem uma ECS AMD690GM-M2 Rev. 1.0A. Veja os pinos do Super I/O desta placa, um ITE IT8716F-L/DX:

Diagrama 6 - ECS AMD690GM-M2 Rev. 1.0A

Agora observe o circuito de alimentação para o CPU_FAN:

Diagrama 7 - ECS AMD690GM-M2 Rev. 1.0A

Perceba que o "FAN_PWM1", o "FAN_PWM3" e o "FAN_TAC1" estão circulados em verde e que os respectivos pinos do ITE IT8716F-L/DX estão marcados com uma linha verde.

Veja o circuito do conector CHA_FAN presente nesta placa:

Diagrama 8 - ECS AMD690GM-M2 Rev. 1.0A

Perceba que o pino "FAN_PWM2", "FAN_PWM4" e "FAN_TAC2" estão circulados em azul e que os respectivos pinos do ITE IT8716F-L/DX estão marcados com uma linha também em azul.

Veja que estes dois circuitos da ECS AMD690GM-M2 são análogos ao circuito da placa da Gigabyte, apesar das duas placas serem feitas para processadores de marcas diferentes. Há um amplificador operacional GS324SFS e a entrada inversora ligada na linha "FAN_PWM2" do Super I/O. A saída do amplificador ligada à base do regulador de tensão PNP da marca Hi-Sincerity modelo HI772. No emissor deste regulador, uma entrada de +12V. No coletor do HI772 ligado ao pino +12V do conector do cooler e também ligado a entrada não inversora do amplificador operacional.

EXEMPLO 3: Plataforma Intel LGA775

Peguei outra ECS, só que desta vez uma G41T-M2 Rev. 1.0, e nessa vi um circuito muito simples para controlar o CPU_FAN:

Diagrama 9 - ECS G41T-M2 Rev. 1.0

Perceba que há apenas uma linha de sinal PWM que é ligada diretamente ao conector para ventoinha. Não há um controle de alimentação elétrica implementado na placa-mãe. Perceba que, tanto o CPU_FAN quanto o SYS_FAN utilizam o mesmo conector de quatro pinos, ou seja, pode ser conectado uma ventoinha com controle de rotação via PWM ou não. Veja abaixo os pinos do Super I/O por onde passa os sinais PWM para as duas ventoinhas:

Diagrama 10 - ECS G41T-M2 Rev. 1.0. Veja que apenas 2 pinos PWM e dois pinos para controle de rotação são utilizados neste Super I/O.

EXEMPLO 4: Plataforma AMD AM2 / AM3

Agora, vamos para outro exemplo, desta vez com uma Gigabyte GA-M59SLI-S4 Rev. 1.01. O peculiar desta placa-mãe é que o CPU_FAN pode tanto ser controlado pelo PWM do Super I/O embutido no chipset nVidia MCP55 quanto pelo PWM do Super I/O dedicado. Veja o esquema elétrico de alimentação do CPU_FAN abaixo:

Diagrama 11 - Gigabyte GA-M59SLI-S4 Rev. 1.01

As peças notáveis deste circuito de alimentação para CPU_FAN são o amplificador operacional LM358DT e o regulador de tensão AP3310H.

Para esta placa-mãe temos um cooler de 40 mm fixo sobre o heatsink do chipset MCP55, que por suportar a tecnologia nVidia SLI acaba aquecendo mais do que o normal. Normalmente estes coolers para chipset não possuem sensor Hall, ou seja, não há monitoramento de rotação, apenas apresentam dois fios, o positivo e o negativo de energia, como você vê na imagem abaixo:

Diagrama 12 - Gigabyte GA-M59SLI-S4 Rev. 1.01

Observe que no circuito denominado "South Bridge FAN" há uma linha para sinal PWM ligada a um simples regulador de tensão, ou seja, quem controla a rotação de acordo com a temperatura do chipset é o circuito de alimentação do FAN.

Para acessar a documentação do regulador de tensão 2N7002, CLIQUE AQUI!

Para Acessar a documentação do transistor PMBT2907A, CLIQUE AQUI!

Placas-mãe como por exemplo a DFI LANPARTY UT nF4 SLI-D, possuem sensor Hall na ventoinha sobre o chipset Ponte Sul, portanto há três pinos no conector, assim como no SYS_FAN.

Note que há dois conectores SYS_FAN, e estes sim, sem uma linha de sinal PWM, apenas com a linha "FANIO" para monitoramento de rotação através de um sensor Hall.

Como foi dito no início, tanto o chipset nVidia MCP55, quanto o Super I/O controlam o CPU_FAN. Veja abaixo os pinos do chipset que são ligados ao circuito de alimentação do conector:

Diagrama 13 - Gigabyte GA-M59SLI-S4 Rev. 1.01

Os pinos do MCP55 estão marcados em azul escuro e roxo.

Veja abaixo os pinos do Super I/O que são conectados ao circuito de alimentação de todos os conectores para ventoinhas:

Diagrama 14 - Gigabyte GA-M59SLI-S4 Rev. 1.01. Estão todos marcados em azul claro, cinza, marrom e vermelho.

Agora compare as marcações feitas no Super I/O e no MCP55 com as marcações feitas nos circuitos de alimentação das ventoinhas.

Exemplo 5: plataforma Intel LGA1155

Neste exemplo pegamos uma placa para processadores Intel mais atuais e vemos a semelhança com os circuitos anteriores. Esta é a placa-mãe Foxconn H61M06 Rev. Ah, e assim como na ECS G41T-M2 Rev. 1.0, há um circuito bem simplificado, sendo que o CPU_FAN e o SYS_FAN utilizam um circuito idêntico. Veja o diagrama abaixo:

Diagrama 15 - Foxconn H61M06 Rev. Ah

Perceba que de componente notável há apenas um diodo LS4148-F em cada circuito de alimentação.

Veja abaixo o Super I/O, com encapsulamento diferente do comum: devido a obsolescência de vários circuitos presentes nele, as fabricantes vem utilizando um invólucro menor, com menor pinos, como é o caso deste ITE IT8772E/EX:

Diagrama 16 - Foxconn H61M06 Rev. Ah

CURIOSIDADE: Atualmente, praticamente todas a placas de desktop e notebook vem com um Super I/O "menorzinho", tal como o do diagrama acima!

O objetivo deste artigo é apenas mostrar que os sistemas de refrigeração para placas-mãe são similares e controlados por um microcontrolador através de sinais PWM.

É válido lembrar que este sistema sofisticado de controle de rotação através de um controlador de motor DC Brushless embutido no motor começou a ser utilizado a partir do socket Intel LGA775 e a partir do socket AMD PGA939 / PGA940. Antes destes modelos, na grande maioria das placas, o CPU_FAN tinha apenas três fios, sendo um deles para o tacômetro, e o controle de rotação era feito através de um sinal PWM no circuito de alimentação do FAN da placa-mãe.

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FONTES e CRÉDITOS

Imagens, diagramas e texto: Leonardo Ritter

Fontes: Biblioteca de datasheets e esquemas elétricos do Hardware Central.

Última atualização: 04 de Fevereiro de 2024.