15 風(fēng)扇 P130
許多高熱流密度的電子封裝系統(tǒng)都采用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻。小的系統(tǒng)通常采用軸流風(fēng)扇，其氣流流動(dòng)方向垂直于風(fēng)扇葉片。而大的系統(tǒng)通常采用壓頭較高的離心風(fēng)扇。
對于強(qiáng)迫冷卻的系統(tǒng)在其設(shè)計(jì)階段早期就要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。為了使氣流流經(jīng)高熱功耗元件以及為風(fēng)扇提供足夠的空間和電源，制定一個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)劃就顯得非常重要。
在風(fēng)扇選擇時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面：所需的氣流流量、直流或交流、電壓、轉(zhuǎn)速、預(yù)期使用壽命、EMIRFI、熱功耗、自動(dòng)再啟動(dòng)、噪音等。
設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)迫冷卻系統(tǒng)的第一個(gè)階段是估計(jì)所需風(fēng)量。這個(gè)所需風(fēng)量是由系統(tǒng)內(nèi)熱功耗和允許的最高溫升所決定的。
在估計(jì)系統(tǒng)內(nèi)熱功耗時(shí)，需要考慮以后系統(tǒng)內(nèi)有可能出現(xiàn)調(diào)整或出現(xiàn)額外的熱源。因此，預(yù)計(jì)的熱功耗應(yīng)該是出現(xiàn)在系統(tǒng)最不利情況下。
例如：對于一個(gè)熱功耗為2000 ，允許溫升為 ℃的系統(tǒng)，其所需的空氣流量大約為32cfm。
在下圖中：垂直的坐標(biāo)軸表示去除的熱量，水平的坐標(biāo)軸表示空氣流量：這兩個(gè)軸都采用對數(shù)坐標(biāo)。其中的斜線為溫升（℃）線。使用這個(gè)圖表時(shí)，首先確定系統(tǒng)的允許溫升，然后在圖中找到相應(yīng)的直線。然后根據(jù)系統(tǒng)所要去除的熱功耗，來確定相應(yīng)情況下所需的空氣流量。
系統(tǒng)阻力特性
確定由安裝在系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)扇實(shí)際產(chǎn)生的風(fēng)量比計(jì)算所需風(fēng)量要困難的多?？諝饬鲃?dòng)路徑上的阻礙物引起空氣壓力下降。下圖顯示了一個(gè)風(fēng)扇壓降與空氣流量之間的關(guān)系。為了達(dá)到最大的空氣流動(dòng)，阻礙物所引起的阻力影響應(yīng)該最小化。然而，為了引導(dǎo)氣流更好的掠過高熱功耗元件，某些場合需要采用擋板。當(dāng)然，系統(tǒng)內(nèi)熱功耗元件也會(huì)阻礙空氣流動(dòng)。
軸流風(fēng)扇流量與壓降的關(guān)系
通過實(shí)驗(yàn)的方法可以精確的確定系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)扇的空氣流量，但這種方法耗時(shí)耗力。
實(shí)際上，可以采用經(jīng)驗(yàn)的方法來估計(jì)空氣流動(dòng)阻力。具體如下：
一個(gè)空的系統(tǒng)，其空氣流量一般減少 ％。
一個(gè)充滿封裝元件的系統(tǒng)，其空氣流量可以減少 ％甚至更多。
絕大多數(shù)的電子系統(tǒng)其內(nèi)部壓降大約為： 。
測量空氣流動(dòng)和靜壓
采用AMCA標(biāo)準(zhǔn)210雙測試腔對流量和靜壓進(jìn)行測量。
風(fēng)扇工作點(diǎn)和系統(tǒng)阻力特性
風(fēng)扇的工作點(diǎn)是風(fēng)扇特性曲線和系統(tǒng)阻力特性曲線的交點(diǎn)。風(fēng)扇特性曲線已經(jīng)在前文中進(jìn)行了解釋。系統(tǒng)阻力特性是系統(tǒng)的固有特性，其描述了空氣流經(jīng)系統(tǒng)時(shí)所受的阻礙。下圖描述系統(tǒng)內(nèi)空氣流動(dòng)和靜壓降的關(guān)系。這一曲線可以通過對系統(tǒng)設(shè)定不同的流量來測量。
上圖顯示的風(fēng)扇特性曲線只是風(fēng)扇在最佳位置和風(fēng)道中的特性曲線。否則，風(fēng)扇特性曲線會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致空氣流量的減少。下圖顯示了風(fēng)扇特性曲線由于物體遮擋而發(fā)生變化。這些計(jì)算是基于4715系列風(fēng)扇。下圖顯示了距離入口風(fēng)扇和出口風(fēng)扇X in處物體對風(fēng)扇特性曲線的影響。
風(fēng)扇選擇
通過確定的空氣流量，你可以選擇一個(gè)具體的風(fēng)扇。首先考慮采用AC還是DC風(fēng)扇。在過去由于DC風(fēng)扇價(jià)格較高而多采用AC風(fēng)扇。現(xiàn)在這兩者之間的價(jià)格差異已經(jīng)不存在，而且DC風(fēng)扇突出的優(yōu)點(diǎn)使它被更多地采用。首先DC風(fēng)扇地使用壽命比較長。另外DC風(fēng)扇與AC風(fēng)扇相比電源消耗要少 左右。根據(jù)工業(yè)專家表示：風(fēng)扇溫度升高10℃，其使用壽命要減少20，000個(gè)小時(shí)。
另外DC風(fēng)扇地轉(zhuǎn)速與電壓成線性關(guān)系，所以它可以運(yùn)行在指定地轉(zhuǎn)速下。然而，風(fēng)扇運(yùn)行在最大轉(zhuǎn)速以下可以減少噪音和功耗。
除此之外，DC風(fēng)扇比AC風(fēng)扇有更低地EMI和RFI。所以現(xiàn)在DC風(fēng)扇使用更為廣泛。下面提及一些DC風(fēng)扇的注意點(diǎn)。
許多DC風(fēng)扇會(huì)有12V和24V兩個(gè)型號(hào)，建議采用高電壓的風(fēng)扇。這主要是因?yàn)槠潆娏飨鄬Χ愿投绎L(fēng)扇產(chǎn)生的熱功耗也小。
DC風(fēng)扇的噪音頻率和量級(jí)隨著轉(zhuǎn)速提高而增大。如果可能，盡量選用低速的馬達(dá)來減小噪音。
當(dāng)獲得系統(tǒng)所需的空氣流量和靜壓后，通過使用風(fēng)扇制造商提供的風(fēng)扇特性曲線可以獲得足夠的制冷量。但這個(gè)風(fēng)扇特性曲線使用時(shí)候需要注意。通常制造商提供的風(fēng)扇特性曲線不會(huì)注明是處于名義狀態(tài)下或最不利狀態(tài)下。風(fēng)扇特性曲線通常會(huì)在其名義特性曲線10％內(nèi)波動(dòng)。
有時(shí)會(huì)錯(cuò)誤的選用自由空氣（風(fēng)扇無遮擋）狀態(tài)下的特性曲線。需要注意的是真實(shí)機(jī)箱內(nèi)部是不存在自由空氣的。
噪音對制冷沒有影響，但對系統(tǒng)和用戶很重要。應(yīng)該盡可能的選用安靜的風(fēng)扇，或者采用某些技術(shù)來降低風(fēng)扇的噪音。
使用更大的風(fēng)扇可以減少噪音。對于某個(gè)具體的空氣流量，采用更大的風(fēng)扇可以降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，由此可以減小噪音。
正如先前所提到的，DC風(fēng)扇比AC風(fēng)扇產(chǎn)生更少的EMI和RFI。對于常用的風(fēng)扇而言，其產(chǎn)生的EMI和RFI不是問題。當(dāng)系統(tǒng)對干擾敏感時(shí)需要考慮此類問題。
風(fēng)扇使用壽命
軸承是風(fēng)扇使用壽命的主要影響因數(shù)。風(fēng)扇制造商使用的軸承都比較類似，所以不同廠商之間的風(fēng)扇使用壽命差異并不大。絕大多數(shù)制造商認(rèn)定風(fēng)扇的使用壽命為50，000小時(shí)，假設(shè)每個(gè)星期工作40小時(shí)，折合下來可以使用25年。因此，風(fēng)扇的使用壽命很可能超出設(shè)備的使用壽命。正如前面所述，風(fēng)機(jī)的使用壽命與它的溫升有很大關(guān)系。
UL要求風(fēng)扇能經(jīng)受轉(zhuǎn)子鎖死72個(gè)小時(shí)（直流風(fēng)機(jī)15天）而不造成任何破壞和過熱。并且當(dāng)去除鎖死轉(zhuǎn)子的裝置后，風(fēng)扇可以正常的運(yùn)行。
入口或者出口風(fēng)扇
設(shè)計(jì)工程師可以選擇一個(gè)入口或出口風(fēng)扇。理論上兩者所需要的空氣流量是一樣的。然而，在實(shí)際應(yīng)用中兩者各有其優(yōu)缺點(diǎn)?？諝獗怀槿腼L(fēng)扇時(shí)是層流，可以在系統(tǒng)內(nèi)形成比較均勻的流動(dòng)。這可以很好的避免空氣滯留和出現(xiàn)熱點(diǎn)。風(fēng)扇出來時(shí)的氣流是湍流。在相同體積流量下，湍流流動(dòng)可以比層流流動(dòng)帶走更多的熱量。仔細(xì)地設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)道非常重要。注意不要產(chǎn)生氣流短路。如果出現(xiàn)氣流短路，可能會(huì)有90％以上地氣流損失。采用擋板是消除氣流短路常用地方法。另外，應(yīng)盡可能地降低空氣流道內(nèi)的阻力。
高熱耗元件應(yīng)該置于空氣直接流經(jīng)的位置上。不宜在小元件前放置大元件，因?yàn)榇笤赡軙?huì)遮擋氣流。必要的時(shí)候可以使用擋板來引導(dǎo)空氣流動(dòng)。
出口風(fēng)扇缺點(diǎn)是在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，所以灰塵等會(huì)進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)對灰塵有一定限制時(shí)，建議采用入口風(fēng)扇。在這種情況下，可以在入口風(fēng)扇的前部加裝一個(gè)過濾網(wǎng)。因此不會(huì)將環(huán)境中的灰塵吸入到系統(tǒng)內(nèi)。過濾網(wǎng)也要定期的清洗，從而避免其上出現(xiàn)灰塵的積聚?；覊m的積聚可能嚴(yán)重的限制氣流流動(dòng)，從而提供系統(tǒng)內(nèi)的溫度。
另外入口風(fēng)扇所產(chǎn)生的熱功耗可能會(huì)使進(jìn)入系統(tǒng)的空氣溫度略微提高。這可能會(huì)降低空氣的冷卻能力。同樣的原因，對于最重要的冷卻元件應(yīng)該置于空氣的入口處。高溫的元件應(yīng)該置于空氣的出口處。
在很多應(yīng)用場合使用入口風(fēng)扇而不是出口風(fēng)扇，這主要是因?yàn)槿肟陲L(fēng)扇的使用壽命更長。出口風(fēng)扇的軸承溫度可以比入口風(fēng)扇的軸承溫度高25℃。降低風(fēng)扇軸承的溫度可以大大延長風(fēng)扇的使用壽命，具體可以參見NMB的Fan Warranty Statement和Fan Life De-rating Curve。
噪音
大多數(shù)的設(shè)計(jì)工程師都被要求盡量減小風(fēng)扇噪聲來滿足用戶的要求。目前的趨勢是系統(tǒng)越來越小，熱功耗越來越大。這兩方面的原因造成空氣流量需求更大，從而加劇了風(fēng)扇噪音。
風(fēng)扇噪音有若干個(gè)因素造成，其中一些因素是可以由系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所控制的，而另外一些則由制造商所決定?？諝鈩?dòng)力學(xué)噪音是由風(fēng)扇葉片產(chǎn)生的湍流所造成。這個(gè)噪音中占主導(dǎo)的因素是葉片通過頻率?？梢酝ㄟ^減小馬達(dá)轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)、支撐數(shù)來降低由此產(chǎn)生的噪音。然而，風(fēng)扇需要一個(gè)確定的轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)來產(chǎn)生所需的空氣流量。同時(shí)，風(fēng)扇也需要確定的支撐數(shù)來提高強(qiáng)度。
機(jī)械噪音是由軸承或非平衡旋轉(zhuǎn)元件震動(dòng)所引起。如果這個(gè)震動(dòng)的頻率和系統(tǒng)內(nèi)其它頻率發(fā)生共振，則噪音的強(qiáng)度會(huì)變大。另外馬達(dá)也會(huì)產(chǎn)生噪音，但其產(chǎn)生的噪音在系統(tǒng)內(nèi)影響很小。
幾乎所有產(chǎn)生噪音的器件都是不能變化的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師幾何沒有太大的調(diào)整余地。然而，系統(tǒng)內(nèi)還是有一些噪音方面的細(xì)節(jié)值得注意。
1. 避免在接近風(fēng)扇的高空氣流速處放置障礙物。
2. 使用震動(dòng)隔離來避免風(fēng)扇機(jī)械噪音進(jìn)入到系統(tǒng)中。
3. 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。
4. 將風(fēng)扇安裝在機(jī)箱的內(nèi)表面而不是在外表面。
5. 物體放置在風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)處比放置在風(fēng)扇出口處噪音更大。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該仔細(xì)比較不同廠商之間的風(fēng)機(jī)噪音。盡管已經(jīng)出現(xiàn)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的噪音測量方法，但是目前還難以為制造商和用戶所接受。這個(gè)方法就是ANSI 12.11。
多個(gè)風(fēng)扇的使用
盡管你已經(jīng)很努力了，但當(dāng)設(shè)計(jì)完成之后，突然系統(tǒng)使用的環(huán)境有所提高，這就需要增加系統(tǒng)制冷能力。為了做到這一點(diǎn)，你可以在設(shè)計(jì)之初選擇一個(gè)低風(fēng)量的風(fēng)扇。如果以后制冷量有所提高，可以采用一個(gè)風(fēng)量更高的風(fēng)扇替代之前的風(fēng)扇。
當(dāng)使用更大尺寸風(fēng)扇無法滿足額外的制冷量要求時(shí)，可以采用以下措施，具體如下：
1. 提高系統(tǒng)內(nèi)的空氣流量
2. 從新設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，以便使用更大的風(fēng)扇
3. 修改系統(tǒng)，使用兩個(gè)或更多的風(fēng)扇并聯(lián)。
4. 修改系統(tǒng)，使用兩個(gè)或更多的風(fēng)扇串連。
很多情況下，僅僅通過改善系統(tǒng)內(nèi)氣流流動(dòng)和修改風(fēng)道位置及尺寸無法滿足額外的制冷量。如果你不能通過改善系統(tǒng)內(nèi)氣流流動(dòng)來滿足情況，你可以通過修改系統(tǒng)來安裝更大的風(fēng)扇。但很多時(shí)候這是不可能的。如果采用一個(gè)風(fēng)扇不能達(dá)到要求，而空間沒有限制的情況下，我們可以采用多個(gè)風(fēng)扇。
在很多情況下，增加風(fēng)扇可以改善系統(tǒng)內(nèi)的氣流分布。另外多個(gè)風(fēng)扇也可以增加系統(tǒng)的可靠性。
增加風(fēng)扇也可能會(huì)產(chǎn)生一些其它問題，諸如：費(fèi)用、噪音、風(fēng)扇的熱功耗。
兩個(gè)并聯(lián)風(fēng)扇的理想性能
兩個(gè)并聯(lián)風(fēng)扇只有在自由空氣狀態(tài)下風(fēng)量才是單一風(fēng)扇時(shí)兩倍。如果系統(tǒng)的靜壓比較高，則兩個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)產(chǎn)生的效果很有限。兩個(gè)串連風(fēng)扇只有在流速為0時(shí)，靜壓才是單一風(fēng)扇時(shí)兩倍，并且風(fēng)扇串連是不增加空氣流量。在系統(tǒng)低靜壓情況下采用兩個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)可以提高系統(tǒng)內(nèi)空氣流量。在系統(tǒng)高靜壓情況下采用串連風(fēng)扇可以提高系統(tǒng)內(nèi)靜壓。
增加風(fēng)扇后產(chǎn)生的熱功耗不能忽略。在某些極端的情況下，由于增加風(fēng)扇所產(chǎn)生的熱功耗甚至超過了其提供的制冷量。
Flotherm資料下載: 使用Flotherm進(jìn)行電子散熱仿真過程中涉及的物理學(xué)原理.pdf
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