電源設計過(guò)程中確保正確使用冷卻風(fēng)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(lái)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(shí)，電源工作溫度不會(huì )太高。一旦按照規定程序選擇出一款風(fēng)扇，在最后配置中，應當對這些器件進(jìn)行最后檢查。一旦器件溫度看起來(lái)將超過(guò)數據表中給定的值，則應重新評估風(fēng)量和方向。

　　大家知道，如果在一個(gè)密閉空間內發(fā)散熱量，該空間內的溫度會(huì )增加。也即，殼體內的環(huán)境溫度會(huì )上升。如果有一個(gè)包含電源和其負載（即它供電的PCB）的殼體，隨著(zhù)電源和其負載在散發(fā)熱，殼體內的環(huán)境溫度會(huì )上升，進(jìn)而導致電源和其負載溫度的進(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，熱是電子系統產(chǎn)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(guān)。隨著(zhù)溫度的升高，其它器件的可靠性也降低；隨著(zhù)散熱器越做越小、電源也越來(lái)越小的趨勢，必須對其進(jìn)行精細的熱管理。一個(gè)簡(jiǎn)單方法，是使用風(fēng)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(lái)說(shuō)，需要遵循以下步驟計算風(fēng)量。

　　一些電源被設計成使用系統風(fēng)扇進(jìn)行強制冷卻。在這種情況下，電源的數據表會(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。因為空氣將始終沿著(zhù)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(lái)說(shuō)，需要遵循以下步驟計算風(fēng)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(lái)說(shuō)，通常50℃——這個(gè)溫度通?？赡軙?huì )涉及安全認證，降低溫度以延長(cháng)壽命。根據經(jīng)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(cháng)一倍。

　　然后，我們需考慮包含電源的設備外殼周?chē)淖罡邭鉁?；外殼周?chē)淖罡邭鉁嘏c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，且若包含電源的設備工作在非空調環(huán)境，且環(huán)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(fā)熱的功耗的總和。例如，如果電子電路的負載標稱(chēng)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。對給定熱量來(lái)說(shuō)，為保持特定溫升所需的風(fēng)量，可以采用一個(gè)常數（2.6）用一個(gè)簡(jiǎn)單通用的公式算出：

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

　　在我們的例子中， 所需的風(fēng)量是：2.6TImes;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)量并據此選擇相應規格的風(fēng)扇那樣簡(jiǎn)捷直白；因為風(fēng)扇的標稱(chēng)風(fēng)量數據是按工作在自由空氣環(huán)境下給出的，但在現實(shí)應用中，殼體自然對氣流產(chǎn)生阻滯，這被稱(chēng)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、機殼內空氣流經(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(guò)來(lái)，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(guò)來(lái)會(huì )降低空氣流速。若風(fēng)扇選型不周到，那么在應用中，當壓損與風(fēng)速達到某個(gè)平衡點(diǎn)， 其低于將一定熱量排出機殼所需的散熱水平時(shí)，風(fēng)扇就可能成為擺設。

　　確定每一應用的實(shí)際壓損太過(guò)復雜，因為這將需要流體動(dòng)力學(xué)方程方面的詳細知識，但可通過(guò)使用圖1中所示的壓損-流率曲線(xiàn)來(lái)近似算出。借此可作為入手處，進(jìn)行進(jìn)一步評估。

　　圖1：壓損-流率曲線(xiàn)。

　　如果我們考慮先前計算的風(fēng)量，該曲線(xiàn)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(chǎng)商都會(huì )給出針對每一風(fēng)扇的標明在不同壓降下產(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(xiàn)。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。

　　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， 對于一般的設備冷卻，只要氣流可流經(jīng)熱源部件，就可將風(fēng)扇放在任何位置。但對于被設計成強制冷卻的電源來(lái)說(shuō)，流過(guò)電源的風(fēng)量對其正確和可靠地工作至關(guān)重要。如果風(fēng)扇對電源的位置不對，或整個(gè)風(fēng)量不能全部直接流經(jīng)電源，則就需選擇一款規格大得多的風(fēng)扇。風(fēng)扇的風(fēng)量標度有幾種方式：以線(xiàn)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)行轉換，則 需要知道風(fēng)扇文丘里管（venturi）表述的橫截面面積。

　　對強制冷卻的電源來(lái)說(shuō)，所需的風(fēng)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(fēng)扇的設備往往會(huì )裝粉塵過(guò)濾器，以防止灰塵進(jìn)入設備。過(guò)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(guò)濾器被灰塵堵塞，則其產(chǎn)生的壓降將顯著(zhù)增高，這樣，在開(kāi)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?；谶@個(gè)原因，應定期清洗或更換除塵過(guò)濾器。

　　給設備加裝風(fēng)扇會(huì )制造可聽(tīng)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(huán)境中，噪聲也是越小越好?？梢酝ㄟ^(guò)多種方法來(lái)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(cháng)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(cháng)。

　　此外，對于給定的風(fēng)量，因較大風(fēng)扇所需的葉片轉速較慢，所以通常比較小風(fēng)扇更安靜。風(fēng)扇葉片旋轉經(jīng)過(guò)附近固定件（如風(fēng)扇支架或手指保護柵格）時(shí)所產(chǎn)生的噪聲也應予以考慮。只要使手指保護柵格稍微離風(fēng)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(fēng)扇工作電壓。風(fēng)扇有標稱(chēng)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(shí)際施加的直流電壓相關(guān)。風(fēng)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(lái)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(shí)，電源工作溫度不會(huì )太高。一旦按照規定程序選擇出一款風(fēng)扇，在最后配置中，應當對這些器件進(jìn)行最后檢查。一旦器件溫度看起來(lái)將超過(guò)數據表中給定的值，則應重新評估風(fēng)量和方向。