電源設(shè)計(jì)-正確使用冷卻風(fēng)扇的技巧

因?yàn)楦�小的散熱片和更高的功率密度，使現(xiàn)代電源的熱管理變得越來越重要，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)表都給出了必要的信息，設(shè)計(jì)師應(yīng)據(jù)此確保器件以最大工作溫度工作時(shí)，電源工作溫度不會(huì)太高。一旦按照規(guī)定程序選擇出一款風(fēng)扇，在最后配置中，應(yīng)當(dāng)對(duì)這些器件進(jìn)行最后檢查。一旦器件溫度看起來將超過數(shù)據(jù)表中給定的值，則應(yīng)重新評(píng)估風(fēng)量和方向。

大家知道，如果在一個(gè)密閉空間內(nèi)發(fā)散熱量，該空間內(nèi)的溫度會(huì)增加。也即，殼體內(nèi)的環(huán)境溫度會(huì)上升。如果有一個(gè)包含電源和其負(fù)載(即它供電的PCB)的殼體，隨著電源和其負(fù)載在散發(fā)熱，殼體內(nèi)的環(huán)境溫度會(huì)上升，進(jìn)而導(dǎo)致電源和其負(fù)載溫度的進(jìn)一步上升，從而可能超出其允許的最高工作溫度。

這是個(gè)糟糕的情況，熱是電子系統(tǒng)產(chǎn)生不可靠性、縮短使用壽命的首要因素，因?yàn)殡娊怆娙萜鞯氖褂脡勖�與其工作溫度密切相關(guān)。隨著溫度的升高，其它器件的可靠性也降低;隨著散熱器越做越小、電源也越來越小的趨勢，必須對(duì)其進(jìn)行精細(xì)的熱管理。一個(gè)簡單方法，是使用風(fēng)扇從機(jī)體中吹出多余熱量。對(duì)可能采用對(duì)流冷卻設(shè)計(jì)的電源，或只能在較低溫度下工作的設(shè)備來說，需要遵循以下步驟計(jì)算風(fēng)量。

一些電源被設(shè)計(jì)成使用系統(tǒng)風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。在這種情況下，電源的數(shù)據(jù)表會(huì)給出充分冷卻所需的風(fēng)量。重要的是要記�。哼@是電源本身所需的風(fēng)量，而不是某個(gè)點(diǎn)(即便離電源很近)的。因?yàn)榭諝鈱⑹冀K沿著阻力最小的路徑流通，所以，風(fēng)扇吹動(dòng)的風(fēng)量只有一部分將實(shí)際到達(dá)需降溫的電源。內(nèi)部擋板將有助于引導(dǎo)空氣沿所需的路徑到達(dá)需冷卻的目標(biāo)器件。

對(duì)可能采用對(duì)流冷卻設(shè)計(jì)的電源，或只能在較低溫度下工作的設(shè)備來說，需要遵循以下步驟計(jì)算風(fēng)量。

首先，確定電源或電子設(shè)備可以安全工作的最大操作溫度。對(duì)于電源本身來說，通常50℃——這個(gè)溫度通�？赡軙�(huì)涉及安全認(rèn)證，降低溫度以延長壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般情況，將電解電容器外殼溫度降低10℃，其使用壽命將延長一倍。

然后，我們需考慮包含電源的設(shè)備外殼周圍的最高氣溫;外殼周圍的最高氣溫與最高工作溫度之間的差就是最大允許溫升。例如，如果電源可在50℃環(huán)境下工作，且若包含電源的設(shè)備工作在非空調(diào)環(huán)境，且環(huán)境最高溫度可達(dá)40℃，則電源允許的溫升為10℃。

下一步是確定待散熱的功耗。機(jī)殼內(nèi)的總功耗是由負(fù)載功耗加上電源自身發(fā)熱的功耗的總和。例如，如果電子電路的負(fù)載標(biāo)稱為260W，假定電源的效率是80%，則散發(fā)的總熱量為260W/0.8，即325W。

最后，就可算出所需的風(fēng)量。對(duì)給定熱量來說，為保持特定溫升所需的風(fēng)量，可以采用一個(gè)常數(shù)(2.6)用一個(gè)簡單通用的公式算出：

風(fēng)量(m3/hr)=2.6&TImes;總功耗(W)/允許溫升(℃)

在我們的例子中，所需的風(fēng)量是：2.6&TImes;325W/10℃=84.5m3/hr

遺憾的是，找到解決方案并不像按上述方案算出所需的風(fēng)量并據(jù)此選擇相應(yīng)規(guī)格的風(fēng)扇那樣簡捷直白;因?yàn)轱L(fēng)扇的標(biāo)稱風(fēng)量數(shù)據(jù)是按工作在自由空氣環(huán)境下給出的，但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，殼體自然對(duì)氣流產(chǎn)生阻滯，這被稱為壓降或壓損，從而降低風(fēng)扇的自由空氣流通性能。

壓損因應(yīng)用而異，取決于：PCB的大小和位置、入風(fēng)口和出風(fēng)口大小、機(jī)殼內(nèi)空氣流經(jīng)的截面積等。情況變得微妙的是：壓損還取決于空氣流經(jīng)殼體時(shí)的速度，而反過來，壓損又會(huì)影響氣流速度。氣流越快，壓損越高，但較高的壓損又反過來會(huì)降低空氣流速。若風(fēng)扇選型不周到，那么在應(yīng)用中，當(dāng)壓損與風(fēng)速達(dá)到某個(gè)平衡點(diǎn)，其低于將一定熱量排出機(jī)殼所需的散熱水平時(shí)，風(fēng)扇就可能成為擺設(shè)。

確定每一應(yīng)用的實(shí)際壓損太過復(fù)雜，因?yàn)檫@將需要流體動(dòng)力學(xué)方程方面的詳細(xì)知識(shí)，但可通過使用圖1中所示的壓損-流率曲線來近似算出。借此可作為入手處，進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。

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圖1：壓損-流率曲線。

如果我們考慮先前計(jì)算的風(fēng)量，該曲線表示壓損是11Pa。然后，我們知道需要一款能在11Pa壓降下、產(chǎn)生84.5m3/hr風(fēng)量的風(fēng)扇。每家風(fēng)扇廠商都會(huì)給出針對(duì)每一風(fēng)扇的標(biāo)明在不同壓降下產(chǎn)生風(fēng)量的圖表。在下例中，圖2給出了5個(gè)風(fēng)扇的風(fēng)量曲線。淺色錐體顯示了5個(gè)風(fēng)扇每個(gè)的最佳工作范圍。在我們的例子中，要使用風(fēng)扇5，以確保在11Pa壓降下，可產(chǎn)生所需的84.5m3/hr風(fēng)量。

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圖2：不同氣壓下的風(fēng)扇風(fēng)量。

一旦確定了壓降和所需風(fēng)量，還有其它一些因素需要考慮。

如前所述，對(duì)于一般的設(shè)備冷卻，只要?dú)饬骺闪鹘?jīng)熱源部件，就可將風(fēng)扇放在任何位置。但對(duì)于被設(shè)計(jì)成強(qiáng)制冷卻的電源來說，流過電源的風(fēng)量對(duì)其正確和可靠地工作至關(guān)重要。如果風(fēng)扇對(duì)電源的位置不對(duì)，或整個(gè)風(fēng)量不能全部直接流經(jīng)電源，則就需選擇一款規(guī)格大得多的風(fēng)扇。風(fēng)扇的風(fēng)量標(biāo)度有幾種方式：以線性英尺/分鐘的空氣流速(LFM)表示;以立方英尺/分鐘(CFM)的體積表示;或立方米/小時(shí)(m3/hr)的體積表示。若要在流速和體積兩者之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則需要知道風(fēng)扇文丘里管(venturi)表述的橫截面面積。

對(duì)強(qiáng)制冷卻的電源來說，所需的風(fēng)量可以流速(如LFM)或體積(如CFM)標(biāo)度表述。兩者之間轉(zhuǎn)換的唯一可靠方法是使用電源的橫截面面積。

帶風(fēng)扇的設(shè)備往往會(huì)裝粉塵過濾器，以防止灰塵進(jìn)入設(shè)備。過濾器將增加氣流阻力從而增加壓降，所以應(yīng)考慮在內(nèi);但更重要的是，若過濾器被灰塵堵塞，則其產(chǎn)生的壓降將顯著增高，這樣，在開始時(shí)合適的風(fēng)扇，在使用一段時(shí)間后，就可能不堪重負(fù)�；�于這個(gè)原因，應(yīng)定期清洗或更換除塵過濾器。

給設(shè)備加裝風(fēng)扇會(huì)制造可聽噪聲。一些應(yīng)用不能容忍任何噪聲，如某些醫(yī)院應(yīng)用或錄音棚應(yīng)用等。即便是在相對(duì)嘈雜的環(huán)境中，噪聲也是越小越好�？梢酝ㄟ^多種方法來降低噪聲。首先，使用高質(zhì)量軸承的風(fēng)扇。滾珠軸承風(fēng)扇通常比套筒軸承風(fēng)扇安靜，且具有更長使用壽命。當(dāng)然，有的套筒軸承在其中灌入潤滑油，則噪聲降低、壽命延長。

此外，對(duì)于給定的風(fēng)量，因較大風(fēng)扇所需的葉片轉(zhuǎn)速較慢，所以通常比較小風(fēng)扇更安靜。風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)經(jīng)過附近固定件(如風(fēng)扇支架或手指保護(hù)柵格)時(shí)所產(chǎn)生的噪聲也應(yīng)予以考慮。只要使手指保護(hù)柵格稍微離風(fēng)扇葉片遠(yuǎn)些，就可降低噪聲。

減少噪聲的另一種方法是降低風(fēng)扇工作電壓。風(fēng)扇有標(biāo)稱的工作電壓范圍，采用直流電壓供電的電扇的轉(zhuǎn)速，一般與實(shí)際施加的直流電壓相關(guān)。風(fēng)扇轉(zhuǎn)得越慢，噪聲就越小。

因?yàn)楦�小的散熱片和更高的功率密度，使現(xiàn)代電源的熱管理變得越來越重要，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)表都給出了必要的信息，設(shè)計(jì)師應(yīng)據(jù)此確保器件以最大工作溫度工作時(shí)，電源工作溫度不會(huì)太高。一旦按照規(guī)定程序選擇出一款風(fēng)扇，在最后配置中，應(yīng)當(dāng)對(duì)這些器件進(jìn)行最后檢查。一旦器件溫度看起來將超過數(shù)據(jù)表中給定的值，則應(yīng)重新評(píng)估風(fēng)量和方向。