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密闭空间内电源然如何选择一款合适的冷却风扇？
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电源管理
电风扇
电源供应器
在一个密闭空间内发散热量，空间内的温度会增加，但是导致
电源
供应器和其负载温度进一步上升，容易超出其允许的最高运作温度，这种状况怎么解决呢？
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（1）
肖风迎
2021-3-8 17:30:32
大家都知道，如果在一个密闭空间内发散热量，该空间内的温度会增加；也就是说，机壳内的环境温度会上升，如果有一个内含电源供应器，以及其负载(也就是被供电的主板PCB)的机壳，随着电源供应器与其负载散发热量，机壳内的环境温度就会上升，进而导致电源供应器和其负载温度进一步上升，并因此可能超出其允许的最高运作温度。
这会是个糟糕的状况；因为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运作温度密切相关。随着温度的升高，其他组件的可靠性也降低；随着散热器越做越小、电源供应器也越来越小的趋势，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。
一些电源供应器被设计成使用系统风扇进行强制冷却；在这种情况下，电源供应器的产品规格表会列出充分冷却所需的风量(air flow)。重要的是得记住：这是电源供应器本身所需的风量，而不是某个点(即便离电源供应器很近)的；因为空气始终会沿着阻力最小的路径流通，所以风扇吹出的风量只有一部分会实际到达需降温的电源供应器。内部挡板(baffles)将有助于引导空气沿着所需路径到达需冷却的目标组件。
计算电源供应器散热所需风量
对可能采用对流冷却设计的电源供应器，或只能在较低温度下运作的设备来说，需要遵循以下步骤计算风量。
首先，确定电源供应器或电子设备可以安全运作的最高温度；对于电源供应器本身来说，通常是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供应器的设备机壳周遭的最高气温；机壳周遭周围最高温度与最高运作温度之间的差异，就是最大允许温升。举例来说，如果电源供应器可在50℃环境下运作，且若包含电源供应器的设备运作在无空调环境，且最高环境温度可达40℃，则电源供应器允许的温升为10℃。
下一步是确定待散热电源供应器的功率大小。机壳内的总功率是由负载功耗加上电源供应器自身发热的功耗的总和；例如，如果电子电路的负载标称值为260W，假定电源供应器的效率是80%，则散发的总热量为260W/0.8，即325W。
之后就可计算出所需的风量；对既定热量来说，为保持特定温升所需的风量，可以采用一个常数(2.6)，以简单通用的公式算出：
风量(m 3/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
考虑压损对风扇的影响
遗憾的是，找到解决方案并不如依照上述方案计算出所需风量、并据此选择相对应规格的风扇那么简单直接；因为风扇的风量标称值资料，是根据在自由流通空气环境下的运作情境来提供，但在现实情况下，机壳对气流会产生自然阻滞，这被称为压降或压损(pressure drop/loss)，从而降低风扇的空气自由流通表现。
压损因应用而异，取决于PCB大小、位置、入/出风口尺寸、机壳内空气流经的截面积等；让情况变得微妙的是，压损还取决于空气通过机壳时的速度，而压损又会反过来影响气流速度，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。若未能谨慎选择风扇，在实际应用时，当压损与风速达到某个平衡点，又低于将一定热量排出机壳所需的散热水平时，风扇就可能成为无用的摆设。
确定每一应用的实际压损太过复杂，因为这会需要流体动力学方程式的详细知识，但可透过使用图1所示的压损-流率曲线大略估算，并以此作为进一步评估的起始点。
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。每家风扇厂商都会针对每一款风扇提供标明了在不同压降下产生风量的图表；如图2的例子提供了5款风扇的风量曲线，浅色锥体显示了5款风扇各自的最佳运作范围。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。
图2 不同气压下的风扇风量。
一旦确定了压降和所需风量，还有一些其他因素需要考虑。
其他影响电源供应器散热的因素
如前所述，对于一般的设备冷却，只要气流可流经发热源零组件，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供应器来说，流过电源供应器的风量对其正确和可靠地运作至关重要，如果风扇对电源供应器的位置不正确，或整个风量不能全部直接流经电源供应器，就得选择一款规格高出许多的风扇。
风扇的风量规格有几种表现方式，例如有的是以每分钟直线英呎(linear feet per minute，LFM)之空气流速单位来表示，有的是以每分钟立方英呎(cubic feet per minute，CFM)、或每小时立方公尺(m3/hr)的体积单位来表示；若要在流速和体积两者之间进行转换，则需要知道风扇文氏管(venturi)的横截面面积。
对强制冷却的电源供应器来说，所需的风量可以用流速(如LFM)或体积(如CFM)规格来表述，两者之间转换的唯一可靠方法是使用电源供应器的横截面面积。
配备风扇的设备通常会加装滤网(dust filter)以防止灰尘落入，滤网会增加气流阻力从而提高压降，所以也应考虑在内；但更重要的是，若滤网被灰尘覆盖，所产生的压降将显着增高，因此一开始合适的风扇，在使用一段时间后也可能不堪负荷，因此应定期清洗或更换滤网。
为设备加装风扇也会制造噪音，一些应用不能容忍任何噪音，例如在医院或录音室的某些应用；即使是在相对吵杂的环境中，噪音也是越小越好。要降低噪音有很多种方法；首先是采用具备高质量轴承的风扇，滚珠轴承(ball bearing)风扇通常比套筒轴承(sleeve bearing)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，噪音能进一步降低并延长寿命。
此外，对于既定的风量，因较大风扇所需的叶片转速较慢，所以通常比尺寸较小的风扇更安静；风扇叶片旋转经过附近固定零件(如风扇支架或护网)时所产生的噪音也应加以考虑；只要让护网稍微离风扇叶片远一点，就可降低噪音。降低噪音的另一种方法是降低风扇运作电压；风扇有运作电压范围标称值，采用直流电压供电的风扇转速一般与实际施加的直流电压相关，风扇转得越慢，噪音就越小。
因为更小的散热片和更高的功率密度，使现代电源供应器的散热管理变得越来越重要，现在的产品规格表都提供了必要信息，设计工程师应据此确保设备以最大运作温度运作时，电源供应器运作温度不会太高。一旦按照上述方法选出一款风扇，在最后配置时应对这些零组件进行最终检查；若设备温度看起来超过规格表所列出的值，则应重新评估风量和方向。
(eetchina)
大家都知道，如果在一个密闭空间内发散热量，该空间内的温度会增加；也就是说，机壳内的环境温度会上升，如果有一个内含电源供应器，以及其负载(也就是被供电的主板PCB)的机壳，随着电源供应器与其负载散发热量，机壳内的环境温度就会上升，进而导致电源供应器和其负载温度进一步上升，并因此可能超出其允许的最高运作温度。
这会是个糟糕的状况；因为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运作温度密切相关。随着温度的升高，其他组件的可靠性也降低；随着散热器越做越小、电源供应器也越来越小的趋势，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。
一些电源供应器被设计成使用系统风扇进行强制冷却；在这种情况下，电源供应器的产品规格表会列出充分冷却所需的风量(air flow)。重要的是得记住：这是电源供应器本身所需的风量，而不是某个点(即便离电源供应器很近)的；因为空气始终会沿着阻力最小的路径流通，所以风扇吹出的风量只有一部分会实际到达需降温的电源供应器。内部挡板(baffles)将有助于引导空气沿着所需路径到达需冷却的目标组件。
计算电源供应器散热所需风量
对可能采用对流冷却设计的电源供应器，或只能在较低温度下运作的设备来说，需要遵循以下步骤计算风量。
首先，确定电源供应器或电子设备可以安全运作的最高温度；对于电源供应器本身来说，通常是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供应器的设备机壳周遭的最高气温；机壳周遭周围最高温度与最高运作温度之间的差异，就是最大允许温升。举例来说，如果电源供应器可在50℃环境下运作，且若包含电源供应器的设备运作在无空调环境，且最高环境温度可达40℃，则电源供应器允许的温升为10℃。
下一步是确定待散热电源供应器的功率大小。机壳内的总功率是由负载功耗加上电源供应器自身发热的功耗的总和；例如，如果电子电路的负载标称值为260W，假定电源供应器的效率是80%，则散发的总热量为260W/0.8，即325W。
之后就可计算出所需的风量；对既定热量来说，为保持特定温升所需的风量，可以采用一个常数(2.6)，以简单通用的公式算出：
风量(m 3/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
考虑压损对风扇的影响
遗憾的是，找到解决方案并不如依照上述方案计算出所需风量、并据此选择相对应规格的风扇那么简单直接；因为风扇的风量标称值资料，是根据在自由流通空气环境下的运作情境来提供，但在现实情况下，机壳对气流会产生自然阻滞，这被称为压降或压损(pressure drop/loss)，从而降低风扇的空气自由流通表现。
压损因应用而异，取决于PCB大小、位置、入/出风口尺寸、机壳内空气流经的截面积等；让情况变得微妙的是，压损还取决于空气通过机壳时的速度，而压损又会反过来影响气流速度，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。若未能谨慎选择风扇，在实际应用时，当压损与风速达到某个平衡点，又低于将一定热量排出机壳所需的散热水平时，风扇就可能成为无用的摆设。
确定每一应用的实际压损太过复杂，因为这会需要流体动力学方程式的详细知识，但可透过使用图1所示的压损-流率曲线大略估算，并以此作为进一步评估的起始点。
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。每家风扇厂商都会针对每一款风扇提供标明了在不同压降下产生风量的图表；如图2的例子提供了5款风扇的风量曲线，浅色锥体显示了5款风扇各自的最佳运作范围。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。
图2 不同气压下的风扇风量。
一旦确定了压降和所需风量，还有一些其他因素需要考虑。
其他影响电源供应器散热的因素
如前所述，对于一般的设备冷却，只要气流可流经发热源零组件，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供应器来说，流过电源供应器的风量对其正确和可靠地运作至关重要，如果风扇对电源供应器的位置不正确，或整个风量不能全部直接流经电源供应器，就得选择一款规格高出许多的风扇。
风扇的风量规格有几种表现方式，例如有的是以每分钟直线英呎(linear feet per minute，LFM)之空气流速单位来表示，有的是以每分钟立方英呎(cubic feet per minute，CFM)、或每小时立方公尺(m3/hr)的体积单位来表示；若要在流速和体积两者之间进行转换，则需要知道风扇文氏管(venturi)的横截面面积。
对强制冷却的电源供应器来说，所需的风量可以用流速(如LFM)或体积(如CFM)规格来表述，两者之间转换的唯一可靠方法是使用电源供应器的横截面面积。
配备风扇的设备通常会加装滤网(dust filter)以防止灰尘落入，滤网会增加气流阻力从而提高压降，所以也应考虑在内；但更重要的是，若滤网被灰尘覆盖，所产生的压降将显着增高，因此一开始合适的风扇，在使用一段时间后也可能不堪负荷，因此应定期清洗或更换滤网。
为设备加装风扇也会制造噪音，一些应用不能容忍任何噪音，例如在医院或录音室的某些应用；即使是在相对吵杂的环境中，噪音也是越小越好。要降低噪音有很多种方法；首先是采用具备高质量轴承的风扇，滚珠轴承(ball bearing)风扇通常比套筒轴承(sleeve bearing)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，噪音能进一步降低并延长寿命。
此外，对于既定的风量，因较大风扇所需的叶片转速较慢，所以通常比尺寸较小的风扇更安静；风扇叶片旋转经过附近固定零件(如风扇支架或护网)时所产生的噪音也应加以考虑；只要让护网稍微离风扇叶片远一点，就可降低噪音。降低噪音的另一种方法是降低风扇运作电压；风扇有运作电压范围标称值，采用直流电压供电的风扇转速一般与实际施加的直流电压相关，风扇转得越慢，噪音就越小。
因为更小的散热片和更高的功率密度，使现代电源供应器的散热管理变得越来越重要，现在的产品规格表都提供了必要信息，设计工程师应据此确保设备以最大运作温度运作时，电源供应器运作温度不会太高。一旦按照上述方法选出一款风扇，在最后配置时应对这些零组件进行最终检查；若设备温度看起来超过规格表所列出的值，则应重新评估风量和方向。
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