使用风扇进行热管理——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

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。

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 C_p x ΔT)] x 60

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

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。

此外，风扇轴承类型也是风扇选择的关键考虑因素，其中套筒或滚珠轴承是两种最常用的技术。套筒轴承具有很强的抗冲击性，并且由于其设计简单，所以在两种方案中的成本效益更高，但轴承磨损会导致旋转摩擦、颤动和倾斜问题增加，寿命通常比滚珠轴承短。相反，滚珠轴承解决了套筒轴承中出现的许多颤动、倾斜和摩擦问题。与套筒轴承不同，它们还可以在任意角度运行，从而成为便携式设备的理想选择。然而，与套筒轴承风扇相比，滚珠轴承风扇抗冲击性能低、噪音更大，更复杂且更昂贵。

能够解决上述两种轴承缺陷的第三种选择就是CUI的omniCOOL™系统。这种替代技术采用电磁结构和改善型套筒轴承设计，可以大大减少摩擦、倾斜、颤动和噪音，同时可以在任何角度进行操作。使用omniCOOL系统构建的风扇结合了所有这些功能，能够提高性能并延长使用寿命，从而成为经济高效、并且比传统风扇轴承技术性能更高的解决方案。

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。