产品设计 | 电子散热工程中风扇选择的9大因素

一、工程背景

大多数密集封装的电子机箱系统使用风扇或鼓风扇进行强制空气冷却。较小的机箱系统通常使用轴流冷却风扇，其中气流垂直于风扇叶片。然而，较大的机箱系统可能需要离心式鼓风扇在高静压情况下提供足够的气流。

在机箱系统设计的最初阶段，工程师就应确定对强制空气冷却风量需求进行预估。更重要的是，产品设计阶段，必须为发热部件提供良好的气流，并为冷却风扇提供足够的空间和功率。

风扇选择需要考虑的因素包括：所需的空气流量，交流或直流电源，电压，速度，预期寿命，EMI / RFI，散热量，自动重启和噪声影响。

产品设计初始阶段是需要预计通风冷却机箱系统所需的气流风量，这主要是取决于机箱系统内产生的热量和器件允许的最大温升。

在估算机箱系统内热耗时，应该考虑器件负载发生变化或者发热子机箱系统热耗增加的可能性。因此，应该是在机箱系统满载运行的最坏情况下，使用最大的热耗来估计机箱系统所需的风量。

去掉盖子的电子机箱系统

机箱系统所需的气流可以通过以下计算公式或从图表获得，计算公式为：
这里：

Q =以cfm为单位所需的气流（ft3 / min。）

W =以瓦为单位的热耗

TC =温升

例如，对于热耗200W的机箱系统来说，如果其允许的温升为20℃，那么机箱系统需要32cfm的气流。

在下图中，纵轴表示代表气流需要带走的热耗，横轴表示气流的风量；两个轴都是对数的。倾斜的线条定义了温升（℃）。通过查找该图表，找到表示允许温升的斜线，然后，在该线上找到与热耗相对应的点，此点对应的横轴位置即为机箱系统所需的气流流量。

热耗与机箱系统温升的关系

二、机箱系统阻抗

确定如何在机箱系统内安装风扇比计算所需空气流量要困难得多。气流路径中的障碍物导致静压阻力。下图显示了典型风扇的气流与静压之间的非线性关系。为了达到最大气流，应尽量减少障碍物。但是，有时候需要增加挡风板，以将冷气流引导到需要冷却的部件上。当然，机箱系统组件本身也会阻碍气流、引导气流流动。

轴流风扇风压P-风量Q曲线

通过实验方法得到气流的流量是非常准确的，但测试成本高，耗时长，并且繁琐。而且，几乎不可能找到用于进行测量的大型气流室。

在实践中，经验方法通常用于估计气流阻力。经验表明：

① 空箱通常会使气流减少5％至20％。

② 密集的机箱系统可将气流减少60％，甚者更多。

③ 在水中大多数电子机箱系统的静压介于0.05和0.15英寸水柱之间。

对于一个密集的机箱系统壳体，前一个例子中的风扇应该能够提供80cfm的空气，而不是32cfm。

三、测量气流和静压

可以使用AMCA标准210双气流室来精确测量气流的风量和静压。

方程列表和变量

Q：气流流量=

C：喷嘴风量系数

D：喷嘴直径（m）

r：空气密度= 

T：温度（℃）

P：气压（mm Hg）

Pn：风量差压（mm Aq）

Ps：静压（mm Aq）

g：

最大静压和最大风量测量必须单独进行。

最大静压测量：当喷嘴关闭时，腔室A中的压力将达到最大值。压力差Ps代表风扇可达到的最大静压。

最大风量测量：打开喷嘴，使用辅助鼓风扇将腔室A中的压力降低到Ps = 0。然后可以使用Pn、D和上面的空气流量公式计算最大风量。Q代表风扇在自由空气中可达到的最大流量。

四、风扇的机箱系统工作点和风道建议

风扇的性能是由机箱系统的风阻PQ特性曲线和风扇的P-Q特性曲线的交叉点来决定。风扇特性曲线在测量气流和静压部分进行了解释。当机箱系统结构固定后，机箱系统的PQ特性曲线就固定不变了。它描述了空气在特定障碍物和内部阻力的情况下如何流过机箱系统。流动阻力大致与体积流量的平方成正比例。因此，机箱系统中静压与气流流量的关系图是二次方的抛物线形状。通过在各种气流速率下测试机箱系统进出口的压力差，可以很容易地通过实验得到该曲线。

机箱系统的阻抗曲线

风机的工作点（系统阻抗曲线与风机PQ曲线交点）

只有设计风扇的最佳位置，优化机箱系统风道，才能实现风扇的全部潜力。否则，风扇特性曲线被抑制，导致气流减少。 后续有一些对机箱系统风道的建议，以尽量减少机箱系统的阻力损失。

这些计算或者建议是根据4715系列风扇进行的；但是，它同样适用于其他风扇。下图显示了由风扇入口或排气口附近的阻塞引起的风扇特性曲线的压缩。X是从风扇到障碍物的距离。 

  障碍物距离对风扇特性曲线的抑制

测量风压的探头会产生较小的阻力损失，如果放在出风口，将使得噪音增加。在风扇进气口附近放置障碍物可能会比在风扇出口处放置障碍物引起更大的噪音。

五、选择风扇

通过估算所需的气流流量，您可以选择特定的风扇。首先，考虑风扇是否应使用交流或直流电源。直流风扇的成本较高，因此机箱系统机箱系统几乎全部使用交流风扇。现在这个价格差异消失了，直流电风扇的许多优点使它们成为最佳选择。直流风扇的一个优点是寿命更长，另一个优点是功耗比交流风扇低近60％。据业内专家介绍，风扇温度升高10℃会降低其使用寿命多达20,000小时。

另一个选择因素是直流风扇的速度与电压直接成比例，因此它可以在合理的风量要求下运行。然而，通常风扇运行速度低于最大速度，进而噪音和功率更小。 

直流风扇的其他优点包括EMI和RFI均低于交流风扇。此外，使用交流风扇，设计师不得不处理各种各样的供电电压和频率。使用直流风扇时，这些问题会消失。总的来讲，使用直流风扇比交流风扇更为简单。

大多数直流风扇有12V和24V两种版本。高电压是优选的，因为它导致更低的电流和更低的功耗。

风扇产生的噪音的频率和幅度随着转速的增加而增加。如果可以选择，请选择低速电机以降低噪音。

在估算了机箱系统气流要求和静压后，可以咨询查找供应商提供的风扇PQ曲线，以选择能够提供足够冷却风量的风扇。工程师应谨慎使用这些曲线，风扇真实的PQ性能曲线可能与标称显示的曲线性能相差10％。

有时在自由空气中测试风扇性能数据，配置不合理，也会导致一些误差。此类误差大约在0.05和0.15英寸水柱之间。

噪音对风扇的冷却没有任何影响，但对机箱系统及用户非常重要。应尽可能选择最安静的风扇，并应采取措施降低风扇的噪音。

降低噪音的一种方法是尽可能使用最大的风扇。对于特定的气流，尺寸较大的风扇以较慢的速度运行，因此产生的噪音较小。

如上所述，直流风扇比交流风扇产生的EMI和RFI要小得多。对于常规应用来说，风扇产生的EMI和RFI不是问题。但是，如果设备在干扰敏感的环境中运行，EMI和RFI可能是一个严重的问题。

六、风扇寿命

轴承磨损是影响风扇寿命的主要因素。大多数风扇制造商使用类似的轴承，因此轴承没有太大的差别。大多数制造商承诺的寿命为50,000小时；每周40小时，这相当于25年。因此，风扇很可能比它冷却的设备寿命更长。如前所述，风扇的温度会随着温度的升高而显着降低。

UL要求风扇必须能够承受72小时的锁定转子（交流风扇15天），而不会造成任何损坏并且不会过热。在消除锁定转子的原因后，风扇也必须能够重新启动并正常运行。

阻抗限制了交流风扇绕组中的电流，但直流风扇在失效期间，需要电子锁锁定转子，以限制电流。目前正在使用的几种保护类型，但并非所有保护都提供自动重启。机箱系统设计人员应仔细评估风扇的保护类型，以确保直流风扇在移除障碍物后自动重启。他们还应确保在间歇性电力中断期间保护机箱系统运行良好。

七、进气（鼓风）或排气（抽风）？

设计人员可以选择安装风扇，以便从机箱系统中排出热空气，或将冷空气吹入机箱系统。从理论上讲，无论抽风还是抽风，都是相同的空气量用于散热。但在实际应用中，每种布置都有优点和缺点。吸入风扇的空气是层流。层流流态将在机箱系统中均匀分布气流速度。这对消除停滞的空气（涡流区域）和局部温度热点很重要。

从风扇排出的空气是湍流的。湍流气流中的换热量可以达到具有相同体积流量的层流的两倍。但是，通常来说，靠近风扇排气口的湍流气流区域是非常有限的，因此对整个机箱系统开发设计良好的气流路径是至关重要的。通风口的面积应至少比风扇开口大50％。

必须注意消除风扇中的空气再循环，即风扇出风口热风的回流现象。由于气流的回流问题，可能导致很多气流冷却性能的丢失。挡板可用于消除空气的再循环回流现象。气流路径必须采用阻力最小的路径。

机箱系统内的子组件和组件应该放置在气流可以直接冷却的位置上，并且放置的位置也应充分利用自然对流冷却。将高温组件放在较冷组件的上游方向。避免将大尺寸组件遮挡了小尺寸器件的气流。必要时，必须使用挡板来引导气流，将其引向温度较高的器件。

 风机hub处生成的热风回流现象

抽风风扇可能导致机箱系统内压力降低，空气中的粉尘会通过所有通风口和封闭机箱系统的裂缝吸入机箱系统内部。

如果机箱系统要求排除灰尘，最好采用将空气吹入机箱系统的风扇，即鼓风扇。在这种配置中，风扇入口处的过滤器可以清除进入空气中的灰尘。另一个好处是，机箱系统内部将生成气流正压区域；这样灰尘就不会从周围的环境中流入机箱系统，但是过滤器必须定期更换以消除积累的灰尘。灰尘积聚会严重限制气流流动，从而导致机箱系统中的空气及器件的温度升高。

鼓风风扇的另一个缺点是风扇马达所产生的热会进入机箱系统内部，这势必减少空气的冷却效率。由于这类原因，对温度比较敏感的器件或者不耐热的器件应靠近风扇的进风口。

在许多应用中，使用鼓风风扇而不是抽风气扇可以使风扇的使用寿命延长一倍或三倍。热空气将流过风扇，势必影响风扇的寿命，而鼓风风扇进风温度25℃，其寿命远超抽风风扇。如NMB的“保修声明”和“风扇寿命降额曲线”所示，温度降低对风扇寿命有着显著的影响。

八、噪音影响

大多数设计需要最小的风扇噪音以满足用户对安静机箱系统的需求。相应的，这势必要求机箱系统尺寸更小，工作性能更高，这两者都增加了机箱系统对气流流量的需求，反过来又增加了噪音。

机械噪音可能由轴承的振动或叶片的不平衡旋转引起。如果这种振动频率与机箱系统的任何共振频率相匹配，则它可以被放大到不可容忍的、甚至是破坏性的水平。电机马达也会产生噪音；但这是冷却机箱系统产生噪声的一小部分。

所有这些噪声成分都是风扇设计中固有的，几乎完全不受机箱系统机箱系统设计师的控制。但是有一些细节或者建议，可以帮助机箱系统设计者尽量减少噪音：

① 避免在靠近风扇的高风速区域放置障碍物。

② 使用隔振器消除机械噪声从风扇到机箱系统的传递。

③ 使用加强结构来控制机箱系统的共振频率。

④ 将风扇安装在机箱系统的内表面上而不是安装在外表面。

⑤ 障碍物放置在风扇进气口附近比放置在风扇出风口附近产生更多的噪音。

在比较不同风扇制造商的噪音规格时，设计师应该非常谨慎。尽管已经提出了一种标准的噪声测量方法，但它并未被所有风扇制造商和用户所接受，这种方法是ANSI 1211方法。

九、多个风扇联合使用

尽管你付出了最大努力，但在设计完成后，可能会出现“额外冷却”的工况。为了应对这种工况，你应该首先选择一个特定尺寸低等或中等的气流风扇。然后，如果需要更多的冷却空气，则很容易更换现有的风扇。

相比之下，如果最初选择的风扇性能较高，那么需要对“额外冷却”进行考虑，就必须重新设计机箱系统的结构布局。

当对额外冷却进行考虑，又不能使用相同尺寸的更高性能的风扇时，可以通过以下四种方案进行考虑：

① 改善机箱系统内的气流组织。

② 重新设计机箱系统以使用更大的风扇。

③ 修改机箱系统以并行使用两个或多个风扇。

④ 修改机箱系统以使用两个或更多风扇系列。

通常，通过改善机箱系统内的气流组织或通过改变通风口的位置或尺寸可以提供足够的额外冷却。如果您无法通过修改气流来改进，那么首选的解决方案是修改机箱系统以接受更大的风扇。这允许选择与机箱系统要求相匹配的风扇。但有时候，这种选择是不可能的。可能无法获得具有足够性能的风扇，或者由于尺寸限制可能禁止使用更大的风扇。这些情况需要一个或多个额外的风扇。

在某些情况下，使用额外的风扇来增加机箱系统内的空气流量。此外，备用风扇的设计可用于提高机箱系统可靠性。

但是额外的风扇可能会产生问题。它使成本增加一倍，噪音加倍，风扇产生的热量增加一倍，并且可能只为系统的冷却提供很少的改善。

风机并联P-Q曲线的修改

并行的两个风扇仅在自由空气情况下使得气流加倍。如果机箱系统具有高静压，则这种布置增加的流量比较少。两个风扇串联将使得静压加倍，但在自由空气情况下不会增加气流流量。风扇并行可以在低静压情况下增加气流的流量，然后再使得风扇串联，可以进一步增加风扇的静压。

风机串联P-Q曲线的修改

另外，并联串联的多个风扇对机箱系统本身的散热影响也不容忽视。

作者：王永康，仿真秀专栏作者

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