大家都知道,如果在一個密閉空間內發散熱量,該空間內的溫度會增加;也就是說,機殼內的環境溫度會上升,如果有一個內含電源供應器,以及其負載(也就是被供電的主機板PCB)的機殼,隨著電源供應器與其負載散發熱量,機殼內的環境溫度就會上升,進而導致電源供應器和其負載溫度進一步上升,並因此可能超出其允許的最高運作溫度。

這會是個糟糕的狀況;因為熱是電子系統產生不可靠性、縮短使用壽命的首要因素,因為電解電容器的使用壽命與其運作溫度密切相關。隨著溫度的升高,其他元件的可靠性也降低;隨著散熱器越做越小、電源供應器也越來越小的趨勢,必須對其進行精細的熱管理。一個簡單方法,是使用風扇從機體中吹出多餘熱量。

一些電源供應器被設計成使用系統風扇進行強制冷卻;在這種情況下,電源供應器的產品規格表會列出充分冷卻所需的風量(air flow)。重要的是得記住:這是電源供應器本身所需的風量,而不是某個點(即便離電源供應器很近)的;因為空氣始終會沿著阻力最小的路徑流通,所以風扇吹出的風量只有一部分會實際到達需降溫的電源供應器。內部擋板(baffles)將有助於引導空氣沿著所需路徑到達需冷卻的目標元件。

計算電源供應器散熱所需風量

對可能採用對流冷卻設計的電源供應器,或只能在較低溫度下運作的設備來說,需要遵循以下步驟計算風量。

首先,確定電源供應器或電子設備可以安全運作的最高溫度;對於電源供應器本身來說,通常是50℃——這個溫度通常可能會涉及安全認證,降低溫度可以延長壽命。根據經驗,一般情況,將電解電容器外殼溫度降低10℃,其使用壽命將延長一倍。

然後,我們需考慮包含電源供應器的設備機殼周遭的最高氣溫;機殼週遭周圍最高溫度與最高運作溫度之間的差異,就是最大允許溫升。舉例來說,如果電源供應器可在50℃環境下運作,且若包含電源供應器的設備運作在無空調環境,且最高環境溫度可達40℃,則電源供應器允許的溫升為10℃。

下一步是確定待散熱電源供應器的功率大小。機殼內的總功率是由負載功耗加上電源供應器自身發熱的功耗的總和;例如,如果電子電路的負載標稱值為260W,假定電源供應器的效率是80%,則散發的總熱量為260W/0.8,即325W。

之後就可計算出所需的風量;對既定熱量來說,為保持特定溫升所需的風量,可以採用一個常數(2.6),以簡單通用的公式算出:

風量(m 3/hr)=2.6×總功耗(W)/允許溫升(℃)

在我們的例子中,所需的風量是: 2.6×325W/10℃=84.5m3/hr

考量壓損對風扇的影響

遺憾的是,找到解決方案並不如依照上述方案計算出所需風量、並據此選擇相對應規格的風扇那麼簡單直接;因為風扇的風量標稱值資料,是根據在自由流通空氣環境下的運作情境來提供,但在現實情況下,機殼對氣流會產生自然阻滯,這被稱為壓降或壓損(pressure drop/loss),從而降低風扇的空氣自由流通表現。

壓損因應用而異,取決於PCB大小、位置、入/出風口尺寸、機殼內空氣流經的截面積等;讓情況變得微妙的是,壓損還取決於空氣通過機殼時的速度,而壓損又會反過來影響氣流速度,氣流越快、壓損越高,但較高的壓損又反過來會降低空氣流速。若未能謹慎選擇風扇,在實際應用時,當壓損與風速達到某個平衡點,又低於將一定熱量排出機殼所需的散熱水平時,風扇就可能成為無用的擺設。

確定每一應用的實際壓損太過複雜,因為這會需要流體動力學方程式的詳細知識,但可透過使用圖1所示的壓損-流率曲線大略估算,並以此作為進一步評估的起始點。

20161004 EDN NT51P1


圖1:壓損-流率曲線

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