電源設計-正確使用冷卻風扇的技巧

因為更小的散熱片和更高的功率密度，使現代電源的熱管理變得越來越重要，現在的數據表都給出了必要的信息，設計師應據此確保器件以最大工作溫度工作時，電源工作溫度不會太高。一旦按照規定程序選擇出一款風扇，在最后配置中，應當對這些器件進行最后檢查。一旦器件溫度看起來將超過數據表中給定的值，則應重新評估風量和方向。

大家知道，如果在一個密閉空間內發散熱量，該空間內的溫度會增加。也即，殼體內的環境溫度會上升。如果有一個包含電源和其負載(即它供電的PCB)的殼體，隨著電源和其負載在散發熱，殼體內的環境溫度會上升，進而導致電源和其負載溫度的進一步上升，從而可能超出其允許的最高工作溫度。

這是個糟糕的情況，熱是電子系統產生不可靠性、縮短使用壽命的首要因素，因為電解電容器的使用壽命與其工作溫度密切相關。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，必須對其進行精細的熱管理。一個簡單方法，是使用風扇從機體中吹出多余熱量。對可能采用對流冷卻設計的電源，或只能在較低溫度下工作的設備來說，需要遵循以下步驟計算風量。

一些電源被設計成使用系統風扇進行強制冷卻。在這種情況下，電源的數據表會給出充分冷卻所需的風量。重要的是要記住：這是電源本身所需的風量，而不是某個點(即便離電源很近)的。因為空氣將始終沿著阻力最小的路徑流通，所以，風扇吹動的風量只有一部分將實際到達需降溫的電源。內部擋板將有助于引導空氣沿所需的路徑到達需冷卻的目標器件。

對可能采用對流冷卻設計的電源，或只能在較低溫度下工作的設備來說，需要遵循以下步驟計算風量。

首先，確定電源或電子設備可以安全工作的最大操作溫度。對于電源本身來說，通常50℃——這個溫度通常可能會涉及安全認證，降低溫度以延長壽命。根據經驗，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℃環境下工作，且若包含電源的設備工作在非空調環境，且環境最高溫度可達40℃，則電源允許的溫升為10℃。

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

最后，就可算出所需的風量。對給定熱量來說，為保持特定溫升所需的風量，可以采用一個常數(2.6)用一個簡單通用的公式算出：

風量(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量并據此選擇相應規格的風扇那樣簡捷直白;因為風扇的標稱風量數據是按工作在自由空氣環境下給出的，但在現實應用中，殼體自然對氣流產生阻滯，這被稱為壓降或壓損，從而降低風扇的自由空氣流通性能。

壓損因應用而異，取決于：PCB的大小和位置、入風口和出風口大小、機殼內空氣流經的截面積等。情況變得微妙的是：壓損還取決于空氣流經殼體時的速度，而反過來，壓損又會影響氣流速度。氣流越快，壓損越高，但較高的壓損又反過來會降低空氣流速。若風扇選型不周到，那么在應用中，當壓損與風速達到某個平衡點，其低于將一定熱量排出機殼所需的散熱水平時，風扇就可能成為擺設。

確定每一應用的實際壓損太過復雜，因為這將需要流體動力學方程方面的詳細知識，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，進行進一步評估。

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圖1：壓損-流率曲線。

如果我們考慮先前計算的風量，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、產生84.5m3/hr風量的風扇。每家風扇廠商都會給出針對每一風扇的標明在不同壓降下產生風量的圖表。在下例中，圖2給出了5個風扇的風量曲線。淺色錐體顯示了5個風扇每個的最佳工作范圍。在我們的例子中，要使用風扇5，以確保在11Pa壓降下，可產生所需的84.5m3/hr風量。

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圖2：不同氣壓下的風扇風量。

一旦確定了壓降和所需風量，還有其它一些因素需要考慮。

如前所述，對于一般的設備冷卻，只要氣流可流經熱源部件，就可將風扇放在任何位置。但對于被設計成強制冷卻的電源來說，流過電源的風量對其正確和可靠地工作至關重要。如果風扇對電源的位置不對，或整個風量不能全部直接流經電源，則就需選擇一款規格大得多的風扇。風扇的風量標度有幾種方式：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(m3/hr)的體積表示。若要在流速和體積兩者之間進行轉換，則需要知道風扇文丘里管(venturi)表述的橫截面面積。

對強制冷卻的電源來說，所需的風量可以流速(如LFM)或體積(如CFM)標度表述。兩者之間轉換的唯一可靠方法是使用電源的橫截面面積。

帶風扇的設備往往會裝粉塵過濾器，以防止灰塵進入設備。過濾器將增加氣流阻力從而增加壓降，所以應考慮在內;但更重要的是，若過濾器被灰塵堵塞，則其產生的壓降將顯著增高，這樣，在開始時合適的風扇，在使用一段時間后，就可能不堪重負。基于這個原因，應定期清洗或更換除塵過濾器。

給設備加裝風扇會制造可聽噪聲。一些應用不能容忍任何噪聲，如某些醫院應用或錄音棚應用等。即便是在相對嘈雜的環境中，噪聲也是越小越好。可以通過多種方法來降低噪聲。首先，使用高質量軸承的風扇。滾珠軸承風扇通常比套筒軸承風扇安靜，且具有更長使用壽命。當然，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，對于給定的風量，因較大風扇所需的葉片轉速較慢，所以通常比較小風扇更安靜。風扇葉片旋轉經過附近固定件(如風扇支架或手指保護柵格)時所產生的噪聲也應予以考慮。只要使手指保護柵格稍微離風扇葉片遠些，就可降低噪聲。

減少噪聲的另一種方法是降低風扇工作電壓。風扇有標稱的工作電壓范圍，采用直流電壓供電的電扇的轉速，一般與實際施加的直流電壓相關。風扇轉得越慢，噪聲就越小。

因為更小的散熱片和更高的功率密度，使現代電源的熱管理變得越來越重要，現在的數據表都給出了必要的信息，設計師應據此確保器件以最大工作溫度工作時，電源工作溫度不會太高。一旦按照規定程序選擇出一款風扇，在最后配置中，應當對這些器件進行最后檢查。一旦器件溫度看起來將超過數據表中給定的值，則應重新評估風量和方向。