電源設(shè)計過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(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)計師應(yīng)據(jù)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(guī)定程序選擇出一款風(fēng)扇,在最后配置中,應(yīng)當(dāng)對這些器件進行最后檢查。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)重新評估風(fēng)量和方向。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/366031.htm大家知道,如果在一個密閉空間內(nèi)發(fā)散熱量,該空間內(nèi)的溫度會增加。也即,殼體內(nèi)的環(huán)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(fā)熱,殼體內(nèi)的環(huán)境溫度會上升,進而導(dǎo)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(tǒng)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(fēng)扇從機體中吹出多余熱量。對可能采用對流冷卻設(shè)計的電源,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算風(fēng)量。
一些電源被設(shè)計成使用系統(tǒng)風(fēng)扇進行強制冷卻。在這種情況下,電源的數(shù)據(jù)表會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(fēng)扇吹動的風(fēng)量只有一部分將實際到達需降溫的電源。內(nèi)部擋板將有助于引導(dǎo)空氣沿所需的路徑到達需冷卻的目標器件。
對可能采用對流冷卻設(shè)計的電源,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。對于電源本身來說,通常50℃——這個溫度通??赡軙婕鞍踩J證,降低溫度以延長壽命。根據(jù)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(nèi)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。對給定熱量來說,為保持特定溫升所需的風(fēng)量,可以采用一個常數(shù)(2.6)用一個簡單通用的公式算出:
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(jù)此選擇相應(yīng)規(guī)格的風(fēng)扇那樣簡捷直白;因為風(fēng)扇的標稱風(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)實應(yīng)用中,殼體自然對氣流產(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(fēng)扇選型不周到,那么在應(yīng)用中,當(dāng)壓損與風(fēng)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(fēng)扇就可能成為擺設(shè)。
確定每一應(yīng)用的實際壓損太過復(fù)雜,因為這將需要流體動力學(xué)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。
圖1:壓損-流率曲線。
如果我們考慮先前計算的風(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個風(fēng)扇的風(fēng)量曲線。淺色錐體顯示了5個風(fēng)扇每個的最佳工作范圍。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(shè)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(shè)計成強制冷卻的電源來說,流過電源的風(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(zhuǎn)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說,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(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)備往往會裝粉塵過濾器,以防止灰塵進入設(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,在開始時合適的風(fēng)扇,在使用一段時間后, 就可能不堪重負。基于這個原因,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)扇支架或手指保護柵格)時所產(chǎn)生的噪聲也應(yīng)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。
因為更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)計師應(yīng)據(jù)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(guī)定程序選擇出一款風(fēng)扇,在最后配置中,應(yīng)當(dāng)對這些器件進行最后檢查。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)重新評估風(fēng)量和方向。
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