直流風扇是一種人們熟知的廣泛使用的熱管理設備，可以單獨、串聯或并聯使用，以提供強制空氣對流冷卻。正是由于直流風扇的多功能性和操作相對簡單，才使其多年來一直是最終應用溫控技術的可靠選擇。根據基本物理學規律，風扇產生的氣流會吸收待散熱設備的熱量并將熱量從待散熱設備帶走，從而有效冷卻設備部件。然而，散熱有效性受到幾個因素的影響；如能更好地了解直流風扇的現有功能和各種選項，工程師們會大受裨益，從而提高可靠性和效率。
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圖 1：自然對流與強制空氣對流冷卻（圖片來源：CUI Devices）
選擇直流風扇前，工程師需要進行一些基本的熱分析，以便計算最小風量要求。典型的熱分析可能包括熱源、環境條件和溫升的建模。此外，還需要考慮其他因素，例如風扇尺寸、旋轉方向以及應用內的氣流路徑，以確保一個合適的解決方案。CUI Devices 的博客《正確選擇直流風扇前應該了解的氣流基礎知識》介紹了有關熱分析和選擇過程的詳細信息。
完成熱分析并選定尺寸和額定值都適合的風扇后，接下來就是為風扇通電并使其正常工作，對嗎？雖然在某些情況下連續運行風扇可以達到其目的，但連續強制風冷卻通常不能實現節能或提供一個長期解決方案。當今的直流風扇為設計人員提供了一系列控制、監測和保護選擇，用于增強熱管理功能。本文的其余部分將涵蓋這些功能，讓設計人員從更先進的風扇控制技術受益。
啟/停循環
如上所述，風扇連續運行肯定會保持溫度敏感的部件冷卻，但會忽略其功耗以及風扇的活動部件壽命有限的事實。風扇運行時還會產生可聞噪聲，這在各種應用和環境中可能都是禁止的。
風扇基于溫度設定值進行啟/停運行是一種替代方法，可以消除風扇連續運行的一些缺陷。使用風扇啟/停控制技術，可以通過限制運行時間來節能，減輕風扇運動部件受到的應力，并在溫度降至設定值以下時將風扇停止，從而降低可聞噪音。
然而，啟/停風扇控制在許多方面也過于簡化了強制風冷方法，并且存在自身缺陷。首先，啟/停控制技術針對溫度敏感部件實施熱冷循環。與在恒定高溫下運行相比，熱循環對關鍵部件的危害甚至更大。這是因為熱循環會產生溫度系數差異，導致材料和焊點承受額外應力，從而造成過早失效。
其次是不可避免的熱過沖因素。這是風扇啟動和風扇產生的強制氣流實際開始冷卻之間的時間延遲。在此時間延遲內，除非降低“風扇啟動”設定點，否則可能會導致部件過熱。而且，通過降低設定點，風扇接通電源并產生可聞噪聲的時間也增加了。最后，為避免在設定點附近快速啟停（通常稱為“抖動”），就需要遲滯。
下圖有助于說明由于啟/停風扇來控制應用中的熱滯后而引起的熱過沖難題。該圖以步進變化（淺藍色）、風扇啟/停循環（綠色）和實際溫度（深藍色）繪制出所需設定的溫度。
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圖 2：風扇啟/停循環可能導致熱過沖和滯后（圖片來源：CUI Devices）
當今的風扇控制選擇
當今的直流風扇為設計人員提供了一系列控制和保護選擇，可用于更精細的熱管理系統。這些先進的設計將基本的啟/停風扇控制功能提升至全新的性能、效率和可靠性水平。此外，還提供保護選擇，可在造成風扇和風扇冷卻部件損壞之前檢測出問題。下面介紹了一些最常見的風扇控制和保護選擇：
· 脈寬調制
脈寬調制 (PWM) 是一種用于根據不斷變化的熱工條件控制和更改風扇速度的常用方法。與先進的控制算法配合使用時，基于 PWM 的變速控制可提高運行效率，并能夠適應使風扇速度與熱負荷匹配的運行動態。
也可通過采用比例積分微分（PI 和 PID）閉環控制技術來升級風扇啟/停控制。這些策略能確保所需溫度設定點的氣流條件，這有助于避免負載變化時的熱過沖或下沖。
· 嵌入式轉速表信號
嵌入式轉速表用于閉環反饋和更高級的風扇控制，可通過測量脈沖輸出信號的頻率來檢測并報告風扇轉速。轉速表還可用作鎖定傳感器，在風扇由于斷電、阻塞等原因而停止運行時，向用戶發出警報。能夠盡快檢測到這些問題是系統運行的主要優勢，并且可以及時停機，以保護對溫度敏感的部件。
· 自動重啟保護
自動重啟保護功能可檢測何時阻止風扇電機旋轉并自動切斷驅動電流。這樣可以保護風扇驅動電路，并將由于驅動電流切斷而引起的緊急問題通知風扇控制器。
· 旋轉檢測/鎖定傳感器
旋轉檢測/鎖定傳感器用于檢測風扇電機是否正在運行或停止，可防止啟動或運行過程中出現問題。
總結
當應用產生過多熱量時，直流風扇是常見的冷卻選擇，它可使設備部件保持在極限工作溫度范圍內并改善散熱性能。經過一些基本的熱分析之后，連續運行風扇無疑是一種不錯的冷卻選擇，但更先進的控制和保護功能可使風扇具有更長的使用壽命和更高的效率。CUI Devices 擁有全面的直流風扇和風機產品組合，可提供各種尺寸、氣流、速度和控件器，從而簡化用戶選擇。
來源：Digi-Key
作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動控制部門副總裁
