TWI531725B - 風扇控制電路及風扇控制系統 - Google Patents

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TWI531725B
TWI531725B TW102100153A TW102100153A TWI531725B TW I531725 B TWI531725 B TW I531725B TW 102100153 A TW102100153 A TW 102100153A TW 102100153 A TW102100153 A TW 102100153A TW I531725 B TWI531725 B TW I531725B
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賴璟鋒
劉東易
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茂達電子股份有限公司
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Description

風扇控制電路及風扇控制系統
本發明係指一種風扇控制電路及系統，尤指一種可控制一二或三線風扇的風扇控制電路及其系統，其可藉由偵測風扇的轉速並透過一訊號結合裝置結合一外部控制訊號，來控制此風扇的轉速。
風扇已廣泛應用於電腦系統中，用來作為散熱裝置。一般來說，風扇可分為四線、三線及二線三種規格。四線風扇的四支接腳分別為電源、接地、轉速計及脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)輸入，其中電源線係用來提供風扇運作的電力，轉速計可偵測風扇的轉速資訊，而脈衝寬度調變輸入線係透過一脈衝調變訊號來控制風扇的轉速。三線風扇的三支接腳分別為電源、接地及轉速計，其中電源線可取代脈衝寬度調變輸入的功能，透過改變直流電壓來控制風扇的轉速，而轉速計的功能與四線風扇的轉速計相同。二線風扇的兩支接腳分別為電源及接地，其同樣可透過改變電源線的直流電壓來控制風扇轉速。由於二線風扇沒有轉速計訊號，因此無法透過外接轉速計來測量及取得風扇轉速資訊。
由此可知，四線風扇同時具有PWM訊號及轉速計訊號。系統可透過轉速計取得轉速資訊並由PWM訊號控制四線風扇的轉速，因此可產生一回授系統，根據轉速計所取得的轉速資訊以及周邊溫 度資訊，分別透過脈衝寬度調變輸入線及電源線，來控制風扇的轉速。舉例來說，請參考第1圖，第1圖為習知一風扇控制系統10之示意圖。如第1圖所示，風扇控制系統10包含一四線風扇102、一直流電壓源104、一溫度感測裝置106、一外部控制模組108、一調變轉換模組110、一選擇裝置112及一時脈產生器114。四線風扇102的電源線耦接於直流電壓源104，由直流電壓源104提供一輸入電壓Vin；轉速計可耦接至外部控制模組108，以提供一轉速資訊FG；脈衝寬度調變輸入線則耦接於時脈產生器114，由時脈產生器114所產生的一脈衝寬度調變訊號PWMctrl來控制四線風扇102的轉速。
簡單來說，風扇控制系統10係由兩個迴路所構成。其中一個是溫度迴路，藉由溫度感測裝置106偵測系統的溫度取得一周邊溫度Ta之後，輸出一溫度參數訊號VTemp至選擇裝置112，選擇裝置112再輸出控制訊號Vctrl至時脈產生器114，由時脈產生器114將控制訊號Vctrl轉換為脈衝寬度調變訊號PWMctrl來控制四線風扇102的轉速。另一個迴路是外部控制迴路，藉由外部控制模組108取得轉速資訊FG之後，產生一外部控制訊號PWMin，再由調變轉換模組110將脈衝寬度調變形式之外部控制訊號PWMin轉換為電壓形式之一外部控制電壓訊號VPWM，以輸出至選擇裝置112，選擇裝置112同樣輸出控制訊號Vctrl至時脈產生器114，由時脈產生器114將控制訊號Vctrl轉換為脈衝寬度調變訊號PWMctrl來控制四線風扇102的轉速。其中，選擇裝置112同時根據溫度參數訊號VTemp及外部 控制電壓訊號VPWM來產生控制訊號Vctrl。
儘管四線風扇接腳較多且功能較齊全，但其成本較二線或三線風扇為高。若欲使用成本較低的二或三線風扇，則無法透過PWM控制風扇轉速，使得系統無法準確地控制風扇轉速。此外，於四線風扇控制系統10中，直流電壓源104輸出固定電壓值的輸入電壓Vin至四線風扇102，當使用不同電壓規格的四線風扇時，所使用的電源供應器必須隨之而調整，因此在使用上的彈性較低。有鑑於此，習知技術實有改進之必要。
因此，實有必要提出一種可控制一二或三線風扇的風扇控制電路，其可藉由偵測二或三線風扇的轉速並透過一訊號結合裝置結合一外部控制訊號，來控制此二或三線風扇的轉速。
本發明揭露一種用來控制一二或三線風扇的風扇控制電路，用於一風扇控制系統中，該風扇控制電路包含有一轉速感測模組，用來偵測該風扇之轉速，以產生一轉速訊號；一轉速轉換模組，耦接於該轉速感測模組，用來將偵測到的該轉速訊號轉換為一第一電壓訊號；以及一回授控制模組，耦接於該轉速轉換模組，用來根據該第一電壓訊號，產生一風扇控制訊號，來控制該風扇。
本發明另揭露一種風扇控制系統，包含有一二或三線風扇；以 及一風扇控制電路，用來控制該風扇，該風扇控制電路包含有一轉速感測模組，用來偵測該風扇之轉速，以產生一轉速訊號；一轉速轉換模組，耦接於該轉速感測模組，用來將偵測到的該轉速訊號轉換為一第一電壓訊號；以及一回授控制模組，耦接於該轉速轉換模組，用來根據該第一電壓訊號，產生一風扇控制訊號，來控制該風扇。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一風扇控制系統20之示意圖。如第2圖所示，風扇控制系統20包含一二線風扇202、一直流電壓源204、一溫度感測裝置206、一外部控制模組208及一風扇控制電路250。而風扇控制電路250包含一調變轉換模組210、一選擇裝置212、一直流對直流轉換器(DC-DC converter)214、一轉速感測模組216、一轉速轉換模組218及一訊號結合裝置220。二線風扇202的電源線耦接於直流對直流轉換器214，由直流對直流轉換器214提供一輸入電壓Vin’，且輸入電壓Vin’的大小決定二線風扇202的轉速。此外，由於直流對直流轉換器214提供了輸入及輸出電壓轉換的彈性，因此，直流電壓源204所提供的電壓VCC只需在一定的範圍內(例如12V~24V)，風扇控制系統20即可正常運作。如此一來，可大幅提升風扇及電源供應器選擇上的彈性。
請繼續參考第2圖。溫度感測裝置206的功能與溫度感測裝置106類似，可用來取得一周邊溫度Ta’並輸出一溫度參數訊號 VTemp’。外部控制模組208的功能亦與外部控制模組108類似，其主要差異在於外部控制模組208無法直接透過轉速計取得轉速資訊。調變轉換模組210的功能亦與調變轉換模組110類似，將外部控制模組208輸出之脈衝寬度調變形式之一外部控制訊號PWMin’轉換為電壓形式之一外部控制電壓訊號VPWM’。轉速感測模組216可取代四線風扇及三線風扇中轉速計的功能，用來偵測二線風扇202的轉速，以輸出一轉速訊號SRS。轉速感測模組216可透過任何方式偵測二線風扇202的轉速，於部分實施例中，轉速感測模組216透過霍爾效應來偵測二線風扇202的轉速。其原理為，當風扇轉動時會帶動磁場變化，此時若在磁場中加上一電壓或電流，磁場的變化會造成電壓或電流隨之而改變，藉由偵測此電壓或電流的變化即可取得轉速訊號SRS。舉例來說，請參考第3圖，第3圖為風扇轉動造成電流變化之示意圖。如第3圖所示，當風扇轉動時，電流訊號會產生週期性的波動，此波動的週期即可對應至風扇轉動的週期。例如可設定一臨界值Ith，當電流穿過臨界值Ith時，將訊號反相，可藉此取得時脈形式的轉速訊號SRS。另一方面，透過偵測電壓訊號的週期性波動以產生轉速訊號SRS的方式與透過電流訊號的方式相似，於此不再贅述。
接著，轉速轉換模組218將轉速訊號SRS轉換為一轉速電壓訊號VRS。訊號結合裝置220同時接收轉速電壓訊號VRS及外部控制電壓訊號VPWM’，以產生一結合電壓訊號VPWM_RS。選擇裝置212再根據溫度參數訊號VTemp’及結合電壓訊號VPWM_RS，輸出一控制訊 號Vctrl’至直流對直流轉換器214，再由直流對直流轉換器214產生相對應的輸入電壓Vin’以提供予二線風扇202，進而控制二線風扇202的轉速。
值得注意的是，如上所述，外部控制模組208無法直接透過轉速計取得轉速資訊。然而，外部控制模組208仍必須透過其它方式，以根據二線風扇202的轉速資訊來進行準確的控制。舉例來說，請參考第4圖，第4圖為第2圖中轉速訊號SRS及外部控制訊號PWMin’透過訊號結合裝置220產生結合電壓訊號VPWM_RS之一實施例之示意圖。如第4圖所示，訊號結合裝置220可透過一運算放大器實現，而根據運算放大器的特性，其正輸入端所接收之轉速電壓訊號VRS及負輸入端所接收之外部控制電壓訊號VPWM’相等，使得調變轉換模組210可調整外部控制電壓訊號VPWM’及外部控制訊號PWMin’的關係，以根據轉速訊號SRS，藉由外部控制訊號PWMin’對二線風扇202進行控制。
詳細來說，轉速轉換模組218可透過一對應表418將轉速訊號SRS轉換為轉速電壓訊號VRS。對應表418可設定轉速訊號SRS及轉速電壓訊號VRS為正比關係，亦可根據系統需求而設定，而不限於此。於部分實施例中，一電晶體402耦接至轉速感測模組216的輸出端，以輸出轉速訊號SRS至風扇控制電路250外部。因此，可由外部直接監控二線風扇202，以偵測二線風扇202是否正常運作。如此一來，當二線風扇202的轉速出現異常狀況時，系統可得知此 異常狀況，進而控制二線風扇202停止運作，甚至關閉電源。調變轉換模組210包含一比較器404、一電阻R1及一電容C1。比較器404的一輸入端耦接於外部控制模組208，另一輸入端接收一參考電壓Vref，輸出端則耦接至訊號結合裝置220。一般來說，參考電壓Vref可設定為外部控制訊號PWMin’之高電位與低電位的中間電壓，使得比較器404可根據外部控制訊號PWMin’位於高電位或低電位，對外部控制電壓訊號VPWM’進行充電或放電。電阻R1及電容C1可用來設定責任週期與控制電壓訊號VPWM’的對應關係，並藉以設定輸出至訊號結合裝置220的控制電壓訊號VPWM’最大值(即將控制電壓訊號VPWM’最大值對應至責任週期100%)。由於外部控制訊號PWMin’先經過比較器404轉換為電流輸出，再由電阻R1轉換為外部控制電壓訊號VPWM’，因此可透過調整比較器404或電阻R1的參數，來調整對應表410中責任週期與電壓的對應關係。於一實施例中，可將電阻R1置於晶片外部並設計為可變電阻，電阻R1即可輕易地進行調整。此外，市面上多數風扇都具有最低轉速設定，因此，於部分實施例中，可透過一最低轉速設定模組406耦接至訊號結合裝置220，來箝制外部控制電壓訊號VPWM’的下限，進而限制二線風扇202的最低轉速。
如此一來，根據對應表410中外部控制訊號PWMin’的責任週期與外部控制電壓訊號VPWM’的對應關係以及對應表418中轉速訊號SRS與轉速電壓訊號VRS的對應關係，可取得外部控制訊號PWMin’的責任週期與二線風扇202的轉速之間的對應關係。請參考第5A 圖及第5B圖，第5A圖及第5B圖分別為本發明不同實施例外部控制訊號PWMin’的責任週期與二線風扇202的轉速之間的對應關係之示意圖。如第5A圖及第5B圖所示，較大的責任週期對應於較高的轉速，且責任週期100%皆對應於最高轉速。第5A圖及第5B圖的差異在於，在第5A圖中，當責任週期降至P%以下時，另由最低轉速設定模組406控制二線風扇202維持在最低轉速。相較之下，於第5B圖中，當責任週期降至0%時，二線風扇202的轉速才降至最低。
另一方面，根據上述說明，選擇裝置212根據溫度參數訊號VTemp’及結合電壓訊號VPWM_RS，以輸出控制訊號Vctrl’。而直流對直流轉換器214再根據控制訊號Vctrl’，產生輸入電壓Vin’以提供予二線風扇202，進而控制二線風扇202的轉速。請參考第6圖，第6圖為第2圖中選擇裝置212及直流對直流轉換器214之一實施例之示意圖。選擇裝置212可包含二極體D1及D2，分別用來接收結合電壓訊號VPWM_RS及溫度參數訊號VTemp’，以選擇兩者當中較大的電壓作為控制訊號Vctrl’。在一般情況下，二線風扇202的轉速係根據系統需求而由外部控制模組208控制，此時結合電壓訊號VPWM_RS為主要的控制訊號Vctrl’。然而，當系統溫度快速上升或上升過高時，溫度感測裝置206會快速反應而輸出較高的溫度參數訊號VTemp’。當溫度參數訊號VTemp’大於結合電壓訊號VPWM_RS時，改由溫度參數訊號VTemp’作為控制訊號Vctrl’，來控制二線風扇202轉速上升，以迅速降溫。直流對直流轉換器214包含一運算放大器602及一控 制電路604。控制電路604可操作於脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)模式或脈衝頻率調變(pulse frequency modulation，PFM)模式，用來控制直流對直流轉換器214根據控制訊號Vctrl’來產生輸入電壓Vin’以提供予二線風扇202，進而控制二線風扇202的轉速。關於直流對直流轉換器214根據控制訊號Vctrl’產生輸入電壓Vin’的方式應為本領域具通常知識者所熟知，於此不再贅述。
值得注意的是，本發明之主要精神在於藉由偵測二或三線風扇的轉速並透過一訊號結合裝置結合一外部控制訊號，來控制此風扇的轉速。本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，於第5A圖及第5B圖的對應表中，較大的責任週期皆對應於較高的轉速。然而，於其它實施例中，亦可將較大的責任週期對應於較低的轉速，其實施方式可對應於第4圖的實施例中，將比較器404的兩輸入端反接即可。此外，於部分實施例中，亦可透過多個外部控制模組208搭配調變轉換模組210，或多個轉速感測模組216搭配轉速轉換模組218，來實現多風扇的系統應用。另外，上述實施例的風扇控制系統20中係使用二線風扇202，但於其它實施例中，亦可於風扇控制系統中使用三線風扇，而不限於此。唯三線風扇係透過轉速計偵測轉速，與上述透過轉速感測模組216利用磁場帶動電壓或電流的偵測方式不同，但三線風扇仍可透過本發明上述實施例的其它裝置來達到良好的控制。
於習知技術中，使用四線風扇的成本較二線或三線風扇為高。若欲使用成本較低的二或三線風扇，則無法透過PWM控制風扇轉速，使得系統無法準確地控制風扇轉速。此外，於習知四線風扇的風扇控制系統中，由於直流電壓源的輸出電壓固定，當使用不同電壓規格的四線風扇時，所使用的電源供應器必須隨之而調整，因此在使用上的彈性較低。相較之下，本發明的風扇控制系統可藉由偵測二或三線風扇的轉速並透過一訊號結合裝置結合一外部控制訊號，來控制此二或三線風扇的轉速。此外，直流對直流轉換器提供了輸入及輸出電壓轉換的彈性，可大幅提升風扇及電源供應器選擇上的彈性。由此可知，本發明相較於習知的風扇控制系統在成本考量及使用彈性上，皆具有十足的進步。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧風扇控制系統
102‧‧‧四線風扇
104‧‧‧直流電壓源
106‧‧‧溫度感測裝置
108‧‧‧外部控制模組
110‧‧‧調變轉換模組
112‧‧‧選擇裝置
114‧‧‧時脈產生器
20‧‧‧風扇控制系統
202‧‧‧二線風扇
204‧‧‧直流電壓源
206‧‧‧溫度感測裝置
208‧‧‧外部控制模組
210‧‧‧調變轉換模組
212‧‧‧選擇裝置
214‧‧‧直流對直流轉換器
216‧‧‧轉速感測模組
218‧‧‧轉速轉換模組
220‧‧‧訊號結合裝置
250‧‧‧風扇控制電路
402‧‧‧電晶體
404‧‧‧比較器
406‧‧‧最低轉速設定模組
410‧‧‧對應表
418‧‧‧對應表
R1‧‧‧電阻
C1‧‧‧電容
602‧‧‧運算放大器
604‧‧‧控制電路
D1、D2‧‧‧二極體
第1圖為習知一風扇控制系統之示意圖。
第2圖為本發明實施例一風扇控制系統之示意圖。
第3圖為風扇轉動造成電流變化之示意圖。
第4圖為第2圖中轉速訊號及外部控制訊號透過訊號結合裝置產生結合電壓訊號之一實施例之示意圖。
第5A圖及第5B圖分別為本發明不同實施例外部控制訊號的責任週期與二線風扇的轉速之間的對應關係之示意圖。
第6圖為第2圖中選擇裝置及直流對直流轉換器之一實施例之示意圖。
20‧‧‧風扇控制系統
202‧‧‧二線風扇
204‧‧‧直流電壓源
206‧‧‧溫度感測裝置
208‧‧‧外部控制模組
210‧‧‧調變轉換模組
212‧‧‧選擇裝置
214‧‧‧直流對直流轉換器
216‧‧‧轉速感測模組
218‧‧‧轉速轉換模組
220‧‧‧訊號結合裝置
250‧‧‧風扇控制電路

Claims (22)

  1. 一種用來控制一二線風扇的風扇控制電路，用於一風扇控制系統中，該風扇控制電路包含有：一轉速感測模組，用來藉由偵測該二線風扇轉動時產生之一電流變化來偵測該風扇之轉速，以產生一轉速訊號；一轉速轉換模組，耦接於該轉速感測模組，用來將偵測到的該轉速訊號轉換為一第一電壓訊號；以及一回授控制模組，耦接於該轉速轉換模組，用來根據該第一電壓訊號，產生一風扇控制訊號，來控制該風扇；其中，該風扇控制系統包含有：一外部控制模組，用來產生一外部控制訊號，來控制該風扇控制電路，該外部控制訊號為一脈衝寬度調變訊號；以及一調變轉換模組，用來將該脈衝寬度調變訊號轉換為一第二電壓訊號，並根據該第一電壓訊號與該第二電壓訊號之間的關係，調整該脈衝寬度調變訊號與該第二電壓訊號之間的對應關係。
  2. 如請求項1所述之風扇控制電路，另包含一直流對直流轉換器，用來轉換該風扇控制訊號，以輸出對應於該風扇之電壓規格的訊號。
  3. 如請求項1所述之風扇控制電路，其中該轉速訊號係電壓形式 或電流形式的訊號。
  4. 如請求項1所述之風扇控制電路，其中該風扇控制系統另包含一溫度感測裝置，用來偵測該風扇之一周圍溫度，以產生一溫度參數訊號。
  5. 如請求項4所述之風扇控制電路，其中該回授控制模組另耦接至該溫度感測裝置，以根據該溫度參數訊號，產生該風扇控制訊號。
  6. 如請求項1所述之風扇控制電路，其中該回授控制模組另耦接至該調變轉換模組，以根據該第二電壓訊號，產生該風扇控制訊號。
  7. 如請求項6所述之風扇控制電路，其中該風扇控制系統另包含一溫度感測裝置，用來偵測該風扇之一周圍溫度，以產生一溫度參數訊號。
  8. 如請求項7所述之風扇控制電路，其中該回授控制模組另耦接至該溫度感測裝置，以根據該溫度參數訊號，產生該風扇控制訊號。
  9. 如請求項8所述之風扇控制電路，其中該回授控制模組包含有： 一訊號結合裝置，用來結合該第一電壓訊號及該第二電壓訊號，以產生一第三電壓訊號；以及一選擇裝置，用來選擇該溫度參數訊號及該第三電壓訊號中電壓較大者作為一第四電壓訊號，並透過該第四電壓訊號來產生該風扇控制訊號。
  10. 如請求項9所述之風扇控制電路，其中該訊號結合裝置包含一運算放大器，該運算放大器包含有：一第一輸入端，耦接於該轉速轉換模組，用來接收該第一電壓訊號；一第二輸入端，耦接於該調變轉換模組，用來接收該第二電壓訊號；以及一輸出端，耦接於該選擇裝置，用來輸出該第三電壓訊號。
  11. 如請求項1所述之風扇控制電路，其中該風扇控制電路另包含一最低轉速設定模組，用來限制該風扇的最低轉速。
  12. 一種風扇控制系統，包含有：一二線風扇；一風扇控制電路，用來控制該風扇，該風扇控制電路包含有：一轉速感測模組，用來藉由偵測該二線風扇轉動時產生之一電流變化來偵測該風扇之轉速，以產生一轉速訊號；一轉速轉換模組，耦接於該轉速感測模組，用來將偵測到 的該轉速訊號轉換為一第一電壓訊號；以及一回授控制模組，耦接於該轉速轉換模組，用來根據該第一電壓訊號，產生一風扇控制訊號，來控制該風扇；一外部控制模組，用來產生一外部控制訊號，來控制該風扇控制電路，該外部控制訊號為一脈衝寬度調變訊號；以及一調變轉換模組，用來將該脈衝寬度調變訊號轉換為一第二電壓訊號，並根據該第一電壓訊號及該第二電壓訊號之間的關係，調整該脈衝寬度調變訊號及該第二電壓訊號之間的對應關係。
  13. 如請求項12所述之風扇控制系統，另包含一直流對直流轉換器，用來轉換該風扇控制訊號，以輸出對應於該風扇之電壓規格的訊號。
  14. 如請求項12所述之風扇控制系統，其中該轉速訊號係電壓形式或電流形式的訊號。
  15. 如請求項12所述之風扇控制系統，另包含一溫度感測裝置，用來偵測該風扇之一周圍溫度，以產生一溫度參數訊號。
  16. 如請求項15所述之風扇控制系統，其中該回授控制模組另耦接至該溫度感測裝置，以根據該溫度參數訊號，產生該風扇控制訊號。
  17. 如請求項12所述之風扇控制系統，其中該回授控制模組另耦接至該調變轉換模組，以根據該第二電壓訊號，產生該風扇控制訊號。
  18. 如請求項17所述之風扇控制系統，其中該風扇控制系統另包含一溫度感測裝置，用來偵測該風扇之一周圍溫度，以產生一溫度參數訊號。
  19. 如請求項18所述之風扇控制系統，其中該回授控制模組另耦接至該溫度感測裝置，以根據該溫度參數訊號，產生該風扇控制訊號。
  20. 如請求項19所述之風扇控制系統，其中該回授控制模組包含有：一訊號結合裝置，用來結合該第一電壓訊號及該第二電壓訊號，以產生一第三電壓訊號；以及一選擇裝置，用來選擇該溫度參數訊號及該第三電壓訊號中電壓較大者作為一第四電壓訊號，並透過該第四電壓訊號來產生該風扇控制訊號。
  21. 如請求項20所述之風扇控制系統，其中該訊號結合裝置包含一運算放大器，該運算放大器包含有： 一第一輸入端，耦接於該轉速轉換模組，用來接收該第一電壓訊號；一第二輸入端，耦接於該調變轉換模組，用來接收該第二電壓訊號；以及一輸出端，耦接於該選擇裝置，用來輸出該第三電壓訊號。
  22. 如請求項12所述之風扇控制系統，其中該風扇控制電路另包含一最低轉速設定模組，用來限制該風扇的最低轉速。
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