带风扇的热管理-需要考虑的事情比你想象的多

编译来源：CUI Devices

随着物联网和云计算的兴起，如今的设计每平方英寸都包含更多的传感器、晶体管和处理器，从而导致更高的应用密度和功能。然而，这些更高的密度带来了一个不需要的副产品，即额外的热量。通常情况下，这种设计的限制因素不是单个组件的能力，而更有可能是由于过热而导致的组件限制。了解电子元件，尤其是半导体，设计为在特定温度范围内工作，超出该温度范围后，其性能无法保证，这一点很重要。众所周知，组件本身（包括无源设备）产生的热量会导致工作温度升高，从而可能导致设备故障。

为了确保任何系统设计的可靠性和正确运行，采用适当的热管理技术至关重要。散热的基本过程是传导、对流和辐射：

• 辐射在大多数系统中很少有效，因为它理想地要求“黑体”发射和接收表面之间没有障碍物。

• 传导冷却通常是最简单的解决方案，可以很好地通过印刷电路板 (PCB) 从组件中提取热量，特别是在设计金属轨道和接地层时考虑到这一点。

• 对流冷却依赖于加热周围空气的组件的热量，随着热空气的上升，热量被带走，并被较冷的空气所取代。它的有效性取决于组件的方向以及空气流过它的难易程度。

通常，对流冷却与传导配合使用，以进一步消散已经扩散到 PCB 中的热量，或者使用散热器从集成电路等组件中提取热量。当气流畅通无阻时，这种传导和对流的结合效果很好，但是当电子设备被放置在外壳中时，这又是另一个难题！

因此，除非机柜通风良好，否则自然对流空气冷却将不足以应对非常低的散热水平。这将引导我们分析适当的强制空气解决方案来冷却应用程序，包括实现这一目标所需的风扇的类型、尺寸和性能。

按吸入和排出空气的方式进行分类，最常见的两种风扇类型是轴流式和离心式。轴流式风扇从一侧吸入空气，并在同一平面的相反一侧上将空气排出。离心式风扇中，吸入的空气在不同的方向上被排出。这种类型的风扇，也被称为鼓风机，用于压缩空气，在相对于吸入角度的直角方向上排出空气。

轴流式风扇主要用于低静压、需要较高的气流水平的系统，而离心式风扇在高静压系统中仅产生较低的气流水平。它们在产生可听噪音量方面也有不同，轴流式风扇比离心式风扇更安静。风扇产生的可听噪音量与它的气流量成正比，所以在要求低噪音的电子设备中，需要仔细设计外壳，以尽量减少冷却量。

除了听觉上的噪音外，这两种类型的风扇中的直流电机都会产生电噪声。这种不必要的电磁干扰(EMI)会影响敏感电子元件的运行，但可以使用铁氧体磁珠、屏蔽或过滤来有效抑制。表1中总结了这两种类型风扇的特点：

表1 两种风扇类型的特点

风扇的工作原理是使用在轴承上旋转的转子来排出空气。轴承的可靠运行是风扇设计的关键，因为风扇每分钟可以旋转数千次，并且需要具有多年的使用寿命。这个过程使轴承承受巨大的压力，因此它必须能够胜任这项任务。

有两种广泛使用的轴承设计，套筒轴承和球轴承，每种设计都有其优缺点。

套筒轴承风扇设计价格低廉、坚固耐用且简单，这导致它们在许多应用中得到广泛使用。坚固的设计确保它们能够在许多恶劣的环境中工作，它们的简单性意味着它们不太容易出现故障。套筒轴承风扇设计的另一个好处是它们在运行时往往会产生更少的噪音，从而使它们能够广泛用于办公室等安静的区域。

套筒轴承风扇的中心轴采用套筒式结构，用油润滑，便于转动。套筒为轴提供保护并确保转子保持在正确的位置，从而保持转子和定子之间的间隙。

套筒轴承示意图

可以采取平衡措施来获得轴和套筒之间的正确间隙尺寸。空间太小会导致摩擦增加，从而使风扇更难启动并消耗更多功率。如果间隙太大，则转子可能会摆动。套筒结构的第二个缺点是套筒是将转子固定到位的唯一物理介质，随着时间的推移，轴会腐蚀轴承孔。如果转子总是同向旋转，这种现象会更严重，最终会导致孔呈椭圆形，从而导致运行噪音和使用寿命缩短。如果风扇移动或重新定位，轴承会在不同的地方被腐蚀并变得不均匀——使摆动和噪音更加严重。此外，套筒式结构需要油环和聚酯薄膜垫圈，以防止润滑剂泄漏，从而对轴造成更大的摩擦并阻止气体逸出。滞留的气体会凝固成氮化物颗粒，从而阻碍运动并缩短风扇的使用寿命。

套筒轴承风扇可以在许多设计中找到，特别是在那些在常温下和静态设备上运行的设计中。计算机和办公设备、暖通空调设备和工业机柜等应用广泛使用套筒轴承风扇设计。

滚珠轴承风扇（Ball Bearing Fans）

滚珠轴承风扇的设计旨在解决套筒轴承风扇中的一些缺点。一般来说，它们不太容易磨损，并且可以在任何方向和更高的温度下运行。然而，滚珠轴承风扇比套筒轴承设计更复杂、更昂贵，并且不那么坚固。因此，冲击会极大地影响滚珠轴承风扇的整体性能。它们在使用时也往往会产生更多的噪音，这会限制它们可以部署的区域。

滚珠轴承风扇设计在轴周围使用一圈滚珠来解决不均匀磨损和转子摆动问题。大多数风扇电机设计有两个轴承，一个在另一个前面，这些轴承通常由弹簧隔开。与套筒设计相比，轴承提供了更低的摩擦力，并且弹簧可以帮助解决转子重量可能导致的风扇倾斜。如果弹簧完全围绕轴放置，则设备可以在任何角度操作而不会磨损或摩擦，从而提供更可靠的设计。

滚珠轴承风扇也可以在高密度计算机应用和数据中心中找到，其中性能、温度和 MTBF 是比噪声更重要的因素。它们还广泛用于工业应用以冷却电子系统或用作工业干燥应用的鼓风机。

滚珠轴承示意图

首先，重要的是要了解产生热量的位置和数量。使用分布在外壳内和 PCB 上的温度传感器可以实现系统的热分布。还需要确定系统的气流阻抗，即从入口到出口的气压下降。这可以使用压力传感器或通过将系统放置在气室中来测量。如下图所示，使用计算流体动力学 (CFD) 建模也可以提供准确的轮廓。

计算流体动力学分析 (CFD) 示例

一旦知道最大允许温升 (ΔT) 和要散发的热量 (q)，就可以通过求解一个简单的方程来确定满足系统冷却要求所需的气流 (Q)。

Q = [q/(ρx C p x ΔT)] x 60

如果我们在定义的温度（例如 26°C）下用常数代替空气的比热 (C p ) 和空气的密度 (ρ)，则方程简化为：

Q = 0.05 xq/ΔT           

以每分钟立方米 (CMM) 为单位的 Q

或：Q = 1.76 xq/ΔT     

以每分钟立方英尺 (CFM)为单位的 Q

计算出所需的气流值后，很容易将其与风扇的规格相匹配，制造商通常将其作为气流与静压的关系图提供。

CFM-120风扇的性能曲线

然而，静压，即没有气流的外壳中的大气压力，没有考虑前面提到的气流阻抗（或背压）。为了解决这个现实世界的问题，可以测量不同气流速率的背压（或通过仿真得出）并绘制在图表上，以便交叉点提供所需的工作点，

或者在无法进行测量时，可以过度指定风扇以名义上以高于 50% 的速度运行所需的静压气流，但最大容量是所需性能的两倍，以允许误差余量。

使用系统阻抗来确定风扇工作点

当然，如果在设计之初就考虑了冷却要求，则可以采取预防措施，通过将空气引导至关键部件并确保进气口和出气口不受笨重部件的阻碍来降低系统阻抗和优化气流。进一步的风扇选择考虑与风扇类型有关：对于轴流风扇，空气以相同方向进入和离开风扇，这是低静压系统中高气流的理想选择；向不同方向排出空气的风扇具有压缩空气的作用，使得这种离心式风扇更适合较低气流但较高静压的环境。

此外，在选择风扇时，风扇轴承类型也是一个关键考虑因素，套筒轴承或滚珠轴承是两种最常见的技术。套筒轴承具有很强的抗冲击性，并且由于其简单的设计而成为两种选择中更具成本效益的一种，但具有由轴承磨损引起的旋转摩擦、摆动和倾斜问题增加的缺点，并且预期寿命通常比球轴承短. 另一方面，球轴承解决了套筒轴承中出现的许多摆动、倾斜和摩擦问题。与套筒轴承不同，它们还可以以任何角度操作，因此非常适合便携式设备。然而，滚珠轴承风扇比套筒轴承风扇抗冲击性差、噪音更大、更复杂且更昂贵。

机架式机柜通常使用轴流风扇，因为它们兼具体积小、功率低和风量大的特点。为进一步降低功耗，许多风扇还具有额外的控制功能。我们已经展示了如何计算冷却封闭外壳系统所需的最小气流量。必须确保风扇的规格能够在最坏的情况下提供足够的冷却能力（即在最苛刻的环境中持续满负荷运行的系统），事实上，这种最坏的情况不太可能经常发生，如果有的话，那么基于这种假设持续运行的风扇是低效的，不可靠的。

更实用的方法是监测外壳内的温度，只在需要的时候打开风扇，在不需要的时候关闭风扇。这增加了风扇的寿命并减少了噪音，但有可能引入热滞后的问题（温度过低和过高）。此外，还存在风扇由于障碍物而无法启动的故障风险。为了应对这种风险，现代直流轴流式风扇带有一个标准的保护功能，称为 "自动重新启动"，如果风扇电机被阻止旋转，该功能会自动切断驱动电机的电流以防止烧毁。

旋转检测，作为一个锁定传感器，是一些风扇中带有的额外控制功能。在正常运行期间，传感器输出信号设置为高电平，但如果风扇电机停止，信号输出为低电平。对于需要更复杂控制水平的风扇，可以使用脉冲宽度调制（PWM）方案。用转速计测量的PWM输入信号的占空比（开/关比率）决定了风扇的旋转速度，PWM和转速计信号（图7）提供给一个微控制器作为输入，该微控制器使用算法来不断调整风扇的运行，以响应系统条件的变化，进一步提高运行效率。

使用转速计来检测旋转速度

选择过程并不止于此。设计人员还需要考虑电气和可听噪声等问题，以及他们可能希望如何控制风扇。可听噪音取决于几个因素，通常由所需的气流决定。离心式或鼓风机型风扇通常比轴流风扇噪音大，而以较低速度运行的较大轴流风扇将比必须运行得更快才能获得相同气流的较小风扇安静。电磁干扰 (EMI) 由风扇的电机产生，但对于直流风扇，这通常仅限于电源线中的传导 EMI，这通常可以通过铁氧体磁珠或屏蔽来抑制。

随着密度的不断增加，您系统的热管理可能成为首要关注的问题。对系统进行适当的热分析和选择合适的冷却方法对于防止关键组件在运行时过热和故障至关重要。在许多应用中，使用直流风扇进行强制风冷可以是消除多余热量的有效方法，但由于可用的风扇配置和功能如此之多，因此了解风扇性能如何满足您的系统需求至关重要。

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