使用风扇的进行热管理——需要考虑的问题比您预想的要多

2017年4月25日作者:Jeff Smoot

使用风扇的进行热管理——需要考虑的问题比您预想的要多

随着物联网和云计算的兴起,如今的设计中每平方英寸能够封装更多的传感器、晶体管和处理器,从而实现更高的应用密度和功能。然而,这些较高的密度会产生不必要的副产品——多余的热量。通常的情况是,这种设计的限制因素不是单个元件的功能,更可能是由于多余的热量导致的元件限制。务必要了解,电子元件(特别是半导体)均设计为在特定的温度范围内工作,超出此类温度范围,性能则不能得到保证。我们认识到,人们都很担心元件本身(包括无源设备)产生的热量可能会导致工作温度升高,从而可能导致设备故障。

热管理技术

为了确保任何系统设计的可靠性和正常运行,使用适当的热管理技术至关重要。可以去除热量的基本过程是传导、对流和辐射:
  • 辐射在大多数系统中很少有效,因为需要中间没有障碍物的“黑体”发射和接收表面才能发挥理想效果。
  • 传导冷却通常是最简单的解决方案,并且可以通过印刷电路板 (PCB) 顺利提取元件中的热量,在设计金属轨道和接地平面时考虑了这种方法的场合尤其有效。
  • 对流冷却依靠元件散发的热量加热周围空气,暖空气上升并被较冷的空气取代,从而去除热量。其有效性取决于元件的方向,以及空气是否能够顺利流过该元件。

通常,对流冷却与传导搭配使用,以进一步消散扩散到 PCB 的热量,或者使用散热器来从集成电路等元件提取热量的场合中的热量。当气流畅通无阻时,传导和对流的这种组合效果良好,但是当电子设备放置在外壳中时,需要另当别论!

因此,除非外壳通风良好,否则自然对流空气冷却只能应付非常低的散热水平。这种情况促使我们分析适合冷却应用的强制空气冷却解决方案,其中包括实现这种冷却所需的风扇的类型、尺寸和性能。

选择风扇

首先,务必要了解产生热量的位置和数量。可以使用分布在外壳内和 PCB 上的温度传感器来实现系统的热曲线。还需要确定系统的气流阻抗,即从入口到出口的空气压力下降。可以使用压力传感器或将系统放置在空气室中进行测量。使用计算流体力学 (CFD) 进行建模(如下所示)也可以提供准确的曲线。

计算流体力学例证
计算流体动力学分析 (CFD) 示例

一旦得知最大允许温升 (ΔT) 和散热量 (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的所需气流 (Q)。

Q = [q/(ρ x Cp x ΔT)] x 60

如果我们在一定的温度(例如 26℃)替代空气比热 (Cp) 和空气密度 (ρ) 的常数,则方程式简化为:

Q = 0.05 x q/ΔT
求得以每分钟立方米为单位的 Q (CMM)
或者:Q = 1.76 x q/ΔT
求得以每分钟立方英尺为单位的 Q (CFM)

计算出所需的气流数据后,可以轻松地将其与风扇的规格相匹配。风扇制造商通常将其作为气流与静压的曲线图予以提供。然而,静压(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)。为解决这一现实问题,可以测量不同气流速率的背压并绘制在图形上,以便根据交叉点确定操作点,或者可以按照高于所需静压气流比如 50% 的超规格确定风扇名义操作点,但最大能力需为所需性能的两倍,从而留出误差余量。

当然,如果在设计开始时就考虑到冷却要求,就可以采取预防措施减少系统阻抗,并将空气引向关键元件并确保空气入口和出口不被笨重元件阻碍,从而优化气流。风扇选择的进一步考量与风扇类型有关:对于轴流风扇,空气进入风扇并沿同一方向离开风扇,这对于静压系统的高气流非常理想;空气沿不同方向排出的风扇具有压缩空气的效果,使得这种离心式风扇更适合用于气流较低但静压较高的环境。

其他考量

选择过程还在继续。设计人员还需考虑诸如电气和声频噪声以及如何控制风扇之类的问题。声音噪声受多种因素影响,并且通常取决于所需的气流。离心式或鼓风机型风扇通常比轴流式风扇噪音大,而以较低速度运行的较大的轴流风扇会比需要更快运行以实现相同气流的较小风扇安静。电磁干扰 (EMI) 是由风扇的电机产生的,但直流风扇通常会将电磁干扰限制为电源线中的传导 EMI,传导 EMI 通常可以用铁氧体磁珠或屏蔽进行抑制。

随着密度的不断增加,您的系统的热管理可能成为最受关注的问题。进行正确的系统热分析和选择合适的冷却方法对于防止关键元件运行后发生过热和故障至关重要。在许多应用中,使用直流风扇的强制空气冷却可以有效地带走多余的热量,但是面对如此多的可用风扇配置和功能,了解风扇性能与自身系统需求的匹配情况就变得至关重要了。

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Jeff Smoot

Jeff Smoot

应用工程和运动控制副总裁

自从于 2004 年加入 CUI 以来,Jeff Smoot 重振了公司的质量和工程部门,重点从事开发、支持工作,并将产品推向市场。他着重推动客户取得成功,还率先成立了一个应用工程团队,在设计过程中向工程师提供更有力的现场和在线工程设计和技术支持。下班后,Jeff喜欢参加户外运动(滑雪、背包旅行、露营),陪伴他的妻子和四个孩子,而且他还是丹佛野马(Denver Broncos)橄榄球队的铁杆粉丝。

 
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