15 風扇 P130
許多高熱流密度的電子封裝系統(tǒng)都采用風扇進行強迫冷卻。小的系統(tǒng)通常采用軸流風扇，其氣流流動方向垂直于風扇葉片。而大的系統(tǒng)通常采用壓頭較高的離心風扇。
對于強迫冷卻的系統(tǒng)在其設計階段早期就要進行合理設計。為了使氣流流經(jīng)高熱功耗元件以及為風扇提供足夠的空間和電源，制定一個設計計劃就顯得非常重要。
在風扇選擇時主要考慮以下幾個方面：所需的氣流流量、直流或交流、電壓、轉(zhuǎn)速、預期使用壽命、EMIRFI、熱功耗、自動再啟動、噪音等。
設計一個強迫冷卻系統(tǒng)的第一個階段是估計所需風量。這個所需風量是由系統(tǒng)內(nèi)熱功耗和允許的最高溫升所決定的。
在估計系統(tǒng)內(nèi)熱功耗時，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，預計的熱功耗應該是出現(xiàn)在系統(tǒng)最不利情況下。
例如：對于一個熱功耗為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：垂直的坐標軸表示去除的熱量，水平的坐標軸表示空氣流量：這兩個軸都采用對數(shù)坐標。其中的斜線為溫升（℃）線。使用這個圖表時，首先確定系統(tǒng)的允許溫升，然后在圖中找到相應的直線。然后根據(jù)系統(tǒng)所要去除的熱功耗，來確定相應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)的風扇實際產(chǎn)生的風量比計算所需風量要困難的多?？諝饬鲃勇窂缴系淖璧K物引起空氣壓力下降。下圖顯示了一個風扇壓降與空氣流量之間的關系。為了達到最大的空氣流動，阻礙物所引起的阻力影響應該最小化。然而，為了引導氣流更好的掠過高熱功耗元件，某些場合需要采用擋板。當然，系統(tǒng)內(nèi)熱功耗元件也會阻礙空氣流動。
軸流風扇流量與壓降的關系
通過實驗的方法可以精確的確定系統(tǒng)內(nèi)風扇的空氣流量，但這種方法耗時耗力。
實際上，可以采用經(jīng)驗的方法來估計空氣流動阻力。具體如下：
一個空的系統(tǒng)，其空氣流量一般減少 ％。
一個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： 。
測量空氣流動和靜壓
采用AMCA標準210雙測試腔對流量和靜壓進行測量。
風扇工作點和系統(tǒng)阻力特性
風扇的工作點是風扇特性曲線和系統(tǒng)阻力特性曲線的交點。風扇特性曲線已經(jīng)在前文中進行了解釋。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)時所受的阻礙。下圖描述系統(tǒng)內(nèi)空氣流動和靜壓降的關系。這一曲線可以通過對系統(tǒng)設定不同的流量來測量。
上圖顯示的風扇特性曲線只是風扇在最佳位置和風道中的特性曲線。否則，風扇特性曲線會發(fā)生變化，從而導致空氣流量的減少。下圖顯示了風扇特性曲線由于物體遮擋而發(fā)生變化。這些計算是基于4715系列風扇。下圖顯示了距離入口風扇和出口風扇X in處物體對風扇特性曲線的影響。
風扇選擇
通過確定的空氣流量，你可以選擇一個具體的風扇。首先考慮采用AC還是DC風扇。在過去由于DC風扇價格較高而多采用AC風扇?，F(xiàn)在這兩者之間的價格差異已經(jīng)不存在，而且DC風扇突出的優(yōu)點使它被更多地采用。首先DC風扇地使用壽命比較長。另外DC風扇與AC風扇相比電源消耗要少 左右。根據(jù)工業(yè)專家表示：風扇溫度升高10℃，其使用壽命要減少20，000個小時。
另外DC風扇地轉(zhuǎn)速與電壓成線性關系，所以它可以運行在指定地轉(zhuǎn)速下。然而，風扇運行在最大轉(zhuǎn)速以下可以減少噪音和功耗。
除此之外，DC風扇比AC風扇有更低地EMI和RFI。所以現(xiàn)在DC風扇使用更為廣泛。下面提及一些DC風扇的注意點。
許多DC風扇會有12V和24V兩個型號，建議采用高電壓的風扇。這主要是因為其電流相對而言更低而且風扇產(chǎn)生的熱功耗也小。
DC風扇的噪音頻率和量級隨著轉(zhuǎn)速提高而增大。如果可能，盡量選用低速的馬達來減小噪音。
當獲得系統(tǒng)所需的空氣流量和靜壓后，通過使用風扇制造商提供的風扇特性曲線可以獲得足夠的制冷量。但這個風扇特性曲線使用時候需要注意。通常制造商提供的風扇特性曲線不會注明是處于名義狀態(tài)下或最不利狀態(tài)下。風扇特性曲線通常會在其名義特性曲線10％內(nèi)波動。
有時會錯誤的選用自由空氣（風扇無遮擋）狀態(tài)下的特性曲線。需要注意的是真實機箱內(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。應該盡可能的選用安靜的風扇，或者采用某些技術來降低風扇的噪音。
使用更大的風扇可以減少噪音。對于某個具體的空氣流量，采用更大的風扇可以降低風扇轉(zhuǎn)速，由此可以減小噪音。
正如先前所提到的，DC風扇比AC風扇產(chǎn)生更少的EMI和RFI。對于常用的風扇而言，其產(chǎn)生的EMI和RFI不是問題。當系統(tǒng)對干擾敏感時需要考慮此類問題。
風扇使用壽命
軸承是風扇使用壽命的主要影響因數(shù)。風扇制造商使用的軸承都比較類似，所以不同廠商之間的風扇使用壽命差異并不大。絕大多數(shù)制造商認定風扇的使用壽命為50，000小時，假設每個星期工作40小時，折合下來可以使用25年。因此，風扇的使用壽命很可能超出設備的使用壽命。正如前面所述，風機的使用壽命與它的溫升有很大關系。
UL要求風扇能經(jīng)受轉(zhuǎn)子鎖死72個小時（直流風機15天）而不造成任何破壞和過熱。并且當去除鎖死轉(zhuǎn)子的裝置后，風扇可以正常的運行。
入口或者出口風扇
設計工程師可以選擇一個入口或出口風扇。理論上兩者所需要的空氣流量是一樣的。然而，在實際應用中兩者各有其優(yōu)缺點。空氣被抽入風扇時是層流，可以在系統(tǒng)內(nèi)形成比較均勻的流動。這可以很好的避免空氣滯留和出現(xiàn)熱點。風扇出來時的氣流是湍流。在相同體積流量下，湍流流動可以比層流流動帶走更多的熱量。仔細地設計系統(tǒng)內(nèi)風道非常重要。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，應盡可能地降低空氣流道內(nèi)的阻力。
高熱耗元件應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，因為大元件可能會遮擋氣流。必要的時候可以使用擋板來引導空氣流動。
出口風扇缺點是在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生負壓，所以灰塵等會進入到系統(tǒng)內(nèi)。當系統(tǒng)內(nèi)對灰塵有一定限制時，建議采用入口風扇。在這種情況下，可以在入口風扇的前部加裝一個過濾網(wǎng)。因此不會將環(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的積聚可能嚴重的限制氣流流動，從而提供系統(tǒng)內(nèi)的溫度。
另外入口風扇所產(chǎn)生的熱功耗可能會使進入系統(tǒng)的空氣溫度略微提高。這可能會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該置于空氣的入口處。高溫的元件應該置于空氣的出口處。
在很多應用場合使用入口風扇而不是出口風扇，這主要是因為入口風扇的使用壽命更長。出口風扇的軸承溫度可以比入口風扇的軸承溫度高25℃。降低風扇軸承的溫度可以大大延長風扇的使用壽命，具體可以參見NMB的Fan Warranty Statement和Fan Life De-rating Curve。
噪音
大多數(shù)的設計工程師都被要求盡量減小風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，從而加劇了風扇噪音。
風扇噪音有若干個因素造成，其中一些因素是可以由系統(tǒng)設計工程師所控制的，而另外一些則由制造商所決定。空氣動力學噪音是由風扇葉片產(chǎn)生的湍流所造成。這個噪音中占主導的因素是葉片通過頻率?？梢酝ㄟ^減小馬達轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)、支撐數(shù)來降低由此產(chǎn)生的噪音。然而，風扇需要一個確定的轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)來產(chǎn)生所需的空氣流量。同時，風扇也需要確定的支撐數(shù)來提高強度。
機械噪音是由軸承或非平衡旋轉(zhuǎn)元件震動所引起。如果這個震動的頻率和系統(tǒng)內(nèi)其它頻率發(fā)生共振，則噪音的強度會變大。另外馬達也會產(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)設計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節(jié)值得注意。
1. 避免在接近風扇的高空氣流速處放置障礙物。
2. 使用震動隔離來避免風扇機械噪音進入到系統(tǒng)中。
3. 加強結(jié)構(gòu)強度避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。
4. 將風扇安裝在機箱的內(nèi)表面而不是在外表面。
5. 物體放置在風扇進風處比放置在風扇出口處噪音更大。
系統(tǒng)設計工程師應該仔細比較不同廠商之間的風機噪音。盡管已經(jīng)出現(xiàn)了一個標準的噪音測量方法，但是目前還難以為制造商和用戶所接受。這個方法就是ANSI 12.11。
多個風扇的使用
盡管你已經(jīng)很努力了，但當設計完成之后，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，你可以在設計之初選擇一個低風量的風扇。如果以后制冷量有所提高，可以采用一個風量更高的風扇替代之前的風扇。
當使用更大尺寸風扇無法滿足額外的制冷量要求時，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. 從新設計一個系統(tǒng)，以便使用更大的風扇
3. 修改系統(tǒng)，使用兩個或更多的風扇并聯(lián)。
4. 修改系統(tǒng)，使用兩個或更多的風扇串連。
很多情況下，僅僅通過改善系統(tǒng)內(nèi)氣流流動和修改風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)氣流流動來滿足情況，你可以通過修改系統(tǒng)來安裝更大的風扇。但很多時候這是不可能的。如果采用一個風扇不能達到要求，而空間沒有限制的情況下，我們可以采用多個風扇。
在很多情況下，增加風扇可以改善系統(tǒng)內(nèi)的氣流分布。另外多個風扇也可以增加系統(tǒng)的可靠性。
增加風扇也可能會產(chǎn)生一些其它問題，諸如：費用、噪音、風扇的熱功耗。
兩個并聯(lián)風扇的理想性能
兩個并聯(lián)風扇只有在自由空氣狀態(tài)下風量才是單一風扇時兩倍。如果系統(tǒng)的靜壓比較高，則兩個風扇并聯(lián)產(chǎn)生的效果很有限。兩個串連風扇只有在流速為0時，靜壓才是單一風扇時兩倍，并且風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風扇并聯(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扇可以提高系統(tǒng)內(nèi)靜壓。
增加風扇后產(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進行電子散熱仿真過程中涉及的物理學原理.pdf
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