突破 DC 风扇的控制和保护选项的约束

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 应用工程和运动控制部门副总裁

直流风扇是一种人们熟知的广泛使用的热管理设备，可以单独、串联或并联使用，以提供强制空气对流冷却。正是由于直流风扇的多功能性和操作相对简单，才使其多年来一直是最终应用温控技术的可靠选择。根据基本物理学规律，风扇产生的气流会吸收待散热设备的热量并将热量从待散热设备带走，从而有效冷却设备部件。然而，散热有效性受到几个因素的影响；如能更好地了解直流风扇的现有功能和各种选项，工程师们会大受裨益，从而提高可靠性和效率。

图 1：自然对流与强制空气对流冷却（图片来源：CUI Devices）

选择直流风扇前，工程师需要进行一些基本的热分析，以便计算最小风量要求。典型的热分析可能包括热源、环境条件和温升的建模。此外，还需要考虑其他因素，例如风扇尺寸、旋转方向以及应用内的气流路径，以确保一个合适的解决方案。CUI Devices 的博客《正确选择直流风扇前应该了解的气流基础知识》介绍了有关热分析和选择过程的详细信息。

完成热分析并选定尺寸和额定值都适合的风扇后，接下来就是为风扇通电并使其正常工作，对吗？虽然在某些情况下连续运行风扇可以达到其目的，但连续强制风冷却通常不能实现节能或提供一个长期解决方案。当今的直流风扇为设计人员提供了一系列控制、监测和保护选择，用于增强热管理功能。本文的其余部分将涵盖这些功能，让设计人员从更先进的风扇控制技术受益。

启/停循环

如上所述，风扇连续运行肯定会保持温度敏感的部件冷却，但会忽略其功耗以及风扇的活动部件寿命有限的事实。风扇运行时还会产生可闻噪声，这在各种应用和环境中可能都是禁止的。

风扇基于温度设定值进行启/停运行是一种替代方法，可以消除风扇连续运行的一些缺陷。使用风扇启/停控制技术，可以通过限制运行时间来节能，减轻风扇运动部件受到的应力，并在温度降至设定值以下时将风扇停止，从而降低可闻噪音。

然而，启/停风扇控制在许多方面也过于简化了强制风冷方法，并且存在自身缺陷。首先，启/停控制技术针对温度敏感部件实施热冷循环。与在恒定高温下运行相比，热循环对关键部件的危害甚至更大。这是因为热循环会产生温度系数差异，导致材料和焊点承受额外应力，从而造成过早失效。

其次是不可避免的热过冲因素。这是风扇启动和风扇产生的强制气流实际开始冷却之间的时间延迟。在此时间延迟内，除非降低“风扇启动”设定点，否则可能会导致部件过热。而且，通过降低设定点，风扇接通电源并产生可闻噪声的时间也增加了。最后，为避免在设定点附近快速启停（通常称为“抖动”），就需要迟滞。

下图有助于说明由于启/停风扇来控制应用中的热滞后而引起的热过冲难题。该图以步进变化（浅蓝色）、风扇启/停循环（绿色）和实际温度（深蓝色）绘制出所需设定的温度。

图 2：风扇启/停循环可能导致热过冲和滞后（图片来源：CUI Devices）

当今的风扇控制选择

当今的直流风扇为设计人员提供了一系列控制和保护选择，可用于更精细的热管理系统。这些先进的设计将基本的启/停风扇控制功能提升至全新的性能、效率和可靠性水平。此外，还提供保护选择，可在造成风扇和风扇冷却部件损坏之前检测出问题。下面介绍了一些最常见的风扇控制和保护选择：

· 脉宽调制

脉宽调制 (PWM) 是一种用于根据不断变化的热工条件控制和更改风扇速度的常用方法。与先进的控制算法配合使用时，基于 PWM 的变速控制可提高运行效率，并能够适应使风扇速度与热负荷匹配的运行动态。

也可通过采用比例积分微分（PI 和 PID）闭环控制技术来升级风扇启/停控制。这些策略能确保所需温度设定点的气流条件，这有助于避免负载变化时的热过冲或下冲。

· 嵌入式转速表信号

嵌入式转速表用于闭环反馈和更高级的风扇控制，可通过测量脉冲输出信号的频率来检测并报告风扇转速。转速表还可用作锁定传感器，在风扇由于断电、阻塞等原因而停止运行时，向用户发出警报。能够尽快检测到这些问题是系统运行的主要优势，并且可以及时停机，以保护对温度敏感的部件。

· 自动重启保护

自动重启保护功能可检测何时阻止风扇电机旋转并自动切断驱动电流。这样可以保护风扇驱动电路，并将由于驱动电流切断而引起的紧急问题通知风扇控制器。

· 旋转检测/锁定传感器

旋转检测/锁定传感器用于检测风扇电机是否正在运行或停止，可防止启动或运行过程中出现问题。

总结

当应用产生过多热量时，直流风扇是常见的冷却选择，它可使设备部件保持在极限工作温度范围内并改善散热性能。经过一些基本的热分析之后，连续运行风扇无疑是一种不错的冷却选择，但更先进的控制和保护功能可使风扇具有更长的使用寿命和更高的效率。CUI Devices 拥有全面的直流风扇和风机产品组合，可提供各种尺寸、气流、速度和控件器，从而简化用户选择。