大家知道,如果在一个密闭空间内发散热量,该空间内的温度会增加。也即,壳体内的环境温度会上升。如果有一个包含电源和其负载(即它供电的PCB)的壳体,随着电源和其负载在散发热,壳体内的环境温度会上升,进而导致电源和其负载温度的进一步上升,从而可能超出其允许的最高工作温度。

这是个糟糕的情况,热是电子系统产生不可靠性、缩短使用寿命的首要因素,因为电解电容器的使用寿命与其工作温度密切相关。随着温度的升高,其它器件的可靠性也降低;随着散热器越做越小、电源也越来越小的趋势,必须对其进行精细的热管理。一个简单方法,是使用风扇从机体中吹出多余热量。

一些电源被设计成使用系统风扇进行强制冷却。在这种情况下,电源的数据表会给出充分冷却所需的风量。重要的是要记住:这是电源本身所需的风量,而不是某个点(即便离电源很近)的。因为空气将始终沿着阻力最小的路径流通,所以,风扇吹动的风量只有一部分将实际到达需降温的电源。内部挡板将有助于引导空气沿所需的路径到达需冷却的目标器件。

对可能采用对流冷却设计的电源,或只能在较低温度下工作的设备来说,需要遵循以下步骤计算风量。

首先,确定电源或电子设备可以安全工作的最大操作温度。对于电源本身来说,通常50℃——这个温度通常可能会涉及安全认证,降低温度可以延长寿命。根据经验,一般情况,将电解电容器外壳温度降低10℃,其使用寿命将延长一倍。

然后,我们需考虑包含电源的设备外壳周围的最高气温;外壳周围的最高气温与最高工作温度之间的差就是最大允许温升。例如,如果电源可在50℃环境下工作,且若包含电源的设备工作在非空调环境,且环境最高温度可达40℃,则电源允许的温升为10℃。

下一步是确定待散热的功耗。机壳内的总功耗是由负载功耗加上电源自身发热的功耗的总和。例如,如果电子电路的负载标称为260W,假定电源的效率是80%,则散发的总热量为260W/0.8,即325W。

最后,就可算出所需的风量。对给定热量来说,为保持特定温升所需的风量,可以采用一个常数(2.6)用一个简单通用的公式算出:

风量(m3/hr)=2.6×总功耗(W)/允许温升(℃)

在我们的例子中, 所需的风量是:2.6×325W/10℃=84.5m3/hr

遗憾的是,找到解决方案并不像按上述方案算出所需的风量并据此选择相应规格的风扇那样简捷直白;因为风扇的标称风量数据是按工作在自由空气环境下给出的,但在现实应用中,壳体自然对气流产生阻滞,这被称为压降或压损,从而降低风扇的自由空气流通性能。

压损因应用而异,取决于:PCB的大小和位置、入风口和出风口大小、机壳内空气流经的截面积等。情况变得微妙的是:压损还取决于空气流经壳体时的速度,而反过来,压损又会影响气流速度。气流越快,压损越高,但较高的压损又反过来会降低空气流速。若风扇选型不周到,那么在应用中,当压损与风速达到某个平衡点, 其低于将一定热量排出机壳所需的散热水平时,风扇就可能成为摆设。

确定每一应用的实际压损太过复杂,因为这将需要流体动力学方程方面的详细知识,但可通过使用图1中所示的压损-流率曲线来近似算出。借此可作为入手处,进行进一步评估。

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图1:压损-流率曲线。

如果我们考虑先前计算的风量,该曲线表示压损是11Pa。然后,我们知道需要一款能在11Pa压降下、产生84.5m3/hr风量的风扇。每家风扇厂商都会给出针对每一风扇的标明在不同压降下产生风量的图表。在下例中,图2给出了5个风扇的风量曲线。浅色锥体显示了5个风扇每个的最佳工作范围。在我们的例子中,要使用风扇5,以确保在11Pa压降下,可产生所需的84.5m3/hr风量。

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图2:不同气压下的风扇风量。

一旦确定了压降和所需风量,还有其它一些因素需要考虑。

如前所述, 对于一般的设备冷却,只要气流可流经热源部件,就可将风扇放在任何位置。但对于被设计成强制冷却的电源来说,流过电源的风量对其正确和可靠地工作至关重要。如果风扇对电源的位置不对,或整个风量不能全部直接流经电源,则就需选择一款规格大得多的风扇。风扇的风量标度有几种方式:以线性英尺/分钟的空气流速(LFM)表示;以立方英尺/分钟(CFM)的体积表示;或立方米/小时(m3/hr)的体积表示。若要在流速和体积两者之间进行转换,则 需要知道风扇文丘里管(venturi)表述的横截面面积。

对强制冷却的电源来说,所需的风量可以流速(如LFM)或体积(如CFM)标度表述。两者之间转换的唯一可靠方法是使用电源的横截面面积。

带风扇的设备往往会装粉尘过滤器,以防止灰尘进入设备。过滤器将增加气流阻力从而增加压降,所以应考虑在内;但更重要的是,若过滤器被灰尘堵塞,则其产生的压降将显著增高,这样,在开始时合适的风扇,在使用一段时间后, 就可能不堪重负。基于这个原因,应定期清洗或更换除尘过滤器。

给设备加装风扇会制造可听噪声。一些应用不能容忍任何噪声,如某些医院应用或录音棚应用等。即便是在相对嘈杂的环境中,噪声也是越小越好。可以通过多种方法来降低噪声。首先,使用高质量轴承的风扇。滚珠轴承风扇通常比套筒轴承风扇安静,且具有更长使用寿命。当然,有的套筒轴承在其中灌入润滑油,则噪声降低、寿命延长。

此外,对于给定的风量,因较大风扇所需的叶片转速较慢,所以通常比较小风扇更安静。风扇叶片旋转经过附近固定件(如风扇支架或手指保护栅格)时所产生的噪声也应予以考虑。只要使手指保护栅格稍微离风扇叶片远些,就可降低噪声。

减少噪声的另一种方法是降低风扇工作电压。风扇有标称的工作电压范围,采用直流电压供电的电扇的转速, 一般与实际施加的直流电压相关。风扇转得越慢,噪声就越小。

因为更小的散热片和更高的功率密度,使现代电源的热管理变得越来越重要,现在的数据表都给出了必要的信息,设计师应据此确保器件以最大工作温度工作时,电源工作温度不会太高。一旦按照规定程序选择出一款风扇,在最后配置中,应当对这些器件进行最后检查。一旦器件温度看起来将超过数据表中给定的值,则应重新评估风量和方向。

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图3:XP Power公司的GCS250只需7CFM风量。

XP Power的GCS250风冷电源是个例子。它仅需7CFM的强制风量。与业内的许多电源比较(其中一些需要高达30CFM的风量),GCS250所需的小风量,有助于将可听噪声降到最低。

《电子技术设计》2016年9月刊版权所有,谢绝转载。