作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門副總裁
直流風(fēng)扇是一種人們熟知的廣泛使用的熱管理設(shè)備，可以單獨(dú)、串聯(lián)或并聯(lián)使用，以提供強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻。正是由于直流風(fēng)扇的多功能性和操作相對(duì)簡(jiǎn)單，才使其多年來(lái)一直是最終應(yīng)用溫控技術(shù)的可靠選擇。根據(jù)基本物理學(xué)規(guī)律，風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流會(huì)吸收待散熱設(shè)備的熱量并將熱量從待散熱設(shè)備帶走，從而有效冷卻設(shè)備部件。然而，散熱有效性受到幾個(gè)因素的影響；如能更好地了解直流風(fēng)扇的現(xiàn)有功能和各種選項(xiàng)，工程師們會(huì)大受裨益，從而提高可靠性和效率。
圖 1：自然對(duì)流與強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻（圖片來(lái)源：CUI Devices）
選擇直流風(fēng)扇前，工程師需要進(jìn)行一些基本的熱分析，以便計(jì)算最小風(fēng)量要求。典型的熱分析可能包括熱源、環(huán)境條件和溫升的建模。此外，還需要考慮其他因素，例如風(fēng)扇尺寸、旋轉(zhuǎn)方向以及應(yīng)用內(nèi)的氣流路徑，以確保一個(gè)合適的解決方案。CUI Devices 的博客《正確選擇直流風(fēng)扇前應(yīng)該了解的氣流基礎(chǔ)知識(shí)》介紹了有關(guān)熱分析和選擇過(guò)程的詳細(xì)信息。
完成熱分析并選定尺寸和額定值都適合的風(fēng)扇后，接下來(lái)就是為風(fēng)扇通電并使其正常工作，對(duì)嗎？雖然在某些情況下連續(xù)運(yùn)行風(fēng)扇可以達(dá)到其目的，但連續(xù)強(qiáng)制風(fēng)冷卻通常不能實(shí)現(xiàn)節(jié)能或提供一個(gè)長(zhǎng)期解決方案。當(dāng)今的直流風(fēng)扇為設(shè)計(jì)人員提供了一系列控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)選擇，用于增強(qiáng)熱管理功能。本文的其余部分將涵蓋這些功能，讓設(shè)計(jì)人員從更先進(jìn)的風(fēng)扇控制技術(shù)受益。
啟/停循環(huán)
如上所述，風(fēng)扇連續(xù)運(yùn)行肯定會(huì)保持溫度敏感的部件冷卻，但會(huì)忽略其功耗以及風(fēng)扇的活動(dòng)部件壽命有限的事實(shí)。風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)還會(huì)產(chǎn)生可聞噪聲，這在各種應(yīng)用和環(huán)境中可能都是禁止的。
風(fēng)扇基于溫度設(shè)定值進(jìn)行啟/停運(yùn)行是一種替代方法，可以消除風(fēng)扇連續(xù)運(yùn)行的一些缺陷。使用風(fēng)扇啟/�？刂萍夹g(shù)，可以通過(guò)限制運(yùn)行時(shí)間來(lái)節(jié)能，減輕風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)部件受到的應(yīng)力，并在溫度降至設(shè)定值以下時(shí)將風(fēng)扇停止，從而降低可聞噪音。
然而，啟/停風(fēng)扇控制在許多方面也過(guò)于簡(jiǎn)化了強(qiáng)制風(fēng)冷方法，并且存在自身缺陷。首先，啟/停控制技術(shù)針對(duì)溫度敏感部件實(shí)施熱冷循環(huán)。與在恒定高溫下運(yùn)行相比，熱循環(huán)對(duì)關(guān)鍵部件的危害甚至更大。這是因?yàn)闊嵫h(huán)會(huì)產(chǎn)生溫度系數(shù)差異，導(dǎo)致材料和焊點(diǎn)承受額外應(yīng)力，從而造成過(guò)早失效。
其次是不可避免的熱過(guò)沖因素。這是風(fēng)扇啟動(dòng)和風(fēng)扇產(chǎn)生的強(qiáng)制氣流實(shí)際開(kāi)始冷卻之間的時(shí)間延遲。在此時(shí)間延遲內(nèi)，除非降低“風(fēng)扇啟動(dòng)”設(shè)定點(diǎn)，否則可能會(huì)導(dǎo)致部件過(guò)熱。而且，通過(guò)降低設(shè)定點(diǎn)，風(fēng)扇接通電源并產(chǎn)生可聞噪聲的時(shí)間也增加了。最后，為避免在設(shè)定點(diǎn)附近快速啟停（通常稱為“抖動(dòng)”），就需要遲滯。
下圖有助于說(shuō)明由于啟/停風(fēng)扇來(lái)控制應(yīng)用中的熱滯后而引起的熱過(guò)沖難題。該圖以步進(jìn)變化（淺藍(lán)色）、風(fēng)扇啟/停循環(huán)（綠色）和實(shí)際溫度（深藍(lán)色）繪制出所需設(shè)定的溫度。
圖 2：風(fēng)扇啟/停循環(huán)可能導(dǎo)致熱過(guò)沖和滯后（圖片來(lái)源：CUI Devices）
當(dāng)今的風(fēng)扇控制選擇
當(dāng)今的直流風(fēng)扇為設(shè)計(jì)人員提供了一系列控制和保護(hù)選擇，可用于更精細(xì)的熱管理系統(tǒng)。這些先進(jìn)的設(shè)計(jì)將基本的啟/停風(fēng)扇控制功能提升至全新的性能、效率和可靠性水平。此外，還提供保護(hù)選擇，可在造成風(fēng)扇和風(fēng)扇冷卻部件損壞之前檢測(cè)出問(wèn)題。下面介紹了一些最常見(jiàn)的風(fēng)扇控制和保護(hù)選擇：
· 脈寬調(diào)制
脈寬調(diào)制 (PWM) 是一種用于根據(jù)不斷變化的熱工條件控制和更改風(fēng)扇速度的常用方法。與先進(jìn)的控制算法配合使用時(shí)，基于 PWM 的變速控制可提高運(yùn)行效率，并能夠適應(yīng)使風(fēng)扇速度與熱負(fù)荷匹配的運(yùn)行動(dòng)態(tài)。
也可通過(guò)采用比例積分微分（PI 和 PID）閉環(huán)控制技術(shù)來(lái)升級(jí)風(fēng)扇啟/�？刂啤＿@些策略能確保所需溫度設(shè)定點(diǎn)的氣流條件，這有助于避免負(fù)載變化時(shí)的熱過(guò)沖或下沖。
· 嵌入式轉(zhuǎn)速表信號(hào)
嵌入式轉(zhuǎn)速表用于閉環(huán)反饋和更高級(jí)的風(fēng)扇控制，可通過(guò)測(cè)量脈沖輸出信號(hào)的頻率來(lái)檢測(cè)并報(bào)告風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速表還可用作鎖定傳感器，在風(fēng)扇由于斷電、阻塞等原因而停止運(yùn)行時(shí)，向用戶發(fā)出警報(bào)。能夠盡快檢測(cè)到這些問(wèn)題是系統(tǒng)運(yùn)行的主要優(yōu)勢(shì)，并且可以及時(shí)停機(jī)，以保護(hù)對(duì)溫度敏感的部件。
· 自動(dòng)重啟保護(hù)
自動(dòng)重啟保護(hù)功能可檢測(cè)何時(shí)阻止風(fēng)扇電機(jī)旋轉(zhuǎn)并自動(dòng)切斷驅(qū)動(dòng)電流。這樣可以保護(hù)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路，并將由于驅(qū)動(dòng)電流切斷而引起的緊急問(wèn)題通知風(fēng)扇控制器。
· 旋轉(zhuǎn)檢測(cè)/鎖定傳感器
旋轉(zhuǎn)檢測(cè)/鎖定傳感器用于檢測(cè)風(fēng)扇電機(jī)是否正在運(yùn)行或停止，可防止啟動(dòng)或運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。
總結(jié)
當(dāng)應(yīng)用產(chǎn)生過(guò)多熱量時(shí)，直流風(fēng)扇是常見(jiàn)的冷卻選擇，它可使設(shè)備部件保持在極限工作溫度范圍內(nèi)并改善散熱性能。經(jīng)過(guò)一些基本的熱分析之后，連續(xù)運(yùn)行風(fēng)扇無(wú)疑是一種不錯(cuò)的冷卻選擇，但更先進(jìn)的控制和保護(hù)功能可使風(fēng)扇具有更長(zhǎng)的使用壽命和更高的效率。CUI Devices 擁有全面的直流風(fēng)扇和風(fēng)機(jī)產(chǎn)品組合，可提供各種尺寸、氣流、速度和控件器，從而簡(jiǎn)化用戶選擇。 |
