散热管理对电源和系统子组件的寿命和可靠性有着显著的影响。
众所周知，如果热量在封闭空间或机箱内散发，该空间的温度就会升高。随着环境空气温度的升高，电源和负载的温度都会进一步升高，甚至可能超过其最高工作温度。
避免这种情况至关重要，因为过热是导致电子系统电源可靠性下降和/或寿命缩短的主要原因。这是因为电解电容器的耐久性与机箱的较低工作温度密切相关。而这正是散热电源发挥作用​​的地方。

电源散热原理：
有些电源设计为通过系统风扇强制散热，风扇会将多余的热量从机箱中排出。在这种情况下，电源的数据手册中会标明所需的散热风量。需要注意的是，这里指的是电源所在位置的风量；即使风扇距离电源很近，散热效果也往往不足。
由于空气总是沿着阻力最小的路径流动，因此只有一部分由风扇吹出的空气能够到达电源需要散热的位置。内部的导流板（挡板）可以引导气流，使空气沿着正确的路径到达并冷却目标组件。

如何计算气流
无论设备需要在较低温度下运行，还是电源需要通过外部风扇进行冷却，都应按照以下步骤计算气流：

设定最高温度：
首先，必须确定电源或电子元件能够安全运行的最高工作温度。对于电源本身，通常为 50°C，这通常与安全认证或为了延长元件寿命而需要降低温度有关。一般而言，电解电容器外壳温度降低 10°C，电源的使用寿命就会延长一倍。
其次，必须考虑电源所在机柜环境中的最高空气温度。这两个温度之差即为最大允许温升。例如，假设电源可在 50°C 的环境温度下运行。如果电源外壳设计用于在无空调环境中运行（最高温度可能达到 40°C），则总允许温升为 10°C。

确定功耗：
下一步是确定功耗。机箱内的总功耗是负载消耗的功率加上电源以废热形式散失的功率之和。例如，如果电子设备的典型负载功耗为 260 W，假设电源效率为 80%，则总散热量为 260 W / 0.8 = 325 W。由此可以计算出所需的空气流通量。

计算维持特定温升所需的空气流量，对于给定的热量，有一个简单通用的公式，其中常数为 2.6。
公式为：空气流量（单位：立方米/小时）= 2.6 * 总耗散功率（单位：瓦）/ 允许的温升（单位：摄氏度）。在本例中，所需的空气流量为 2.6 * 325 瓦 / 10 摄氏度 = 84.5 立方米/小时

如何控制气流？
遗憾的是，找到解决方案并非像计算所需气流那么简单。虽然使用上述计算方法，您应该能够选择合适的风扇功率来控制气流，但实际上，机箱本身会对气流产生一定的阻力，也就是所谓的压降。

压降：
压降会降低风扇的自由气流，即一段时间内通过设备的空气量。压降也会因应用而异，取决于PCB的尺寸和位置、进气和排气格栅的尺寸以及空气流经的横截面积。
情况会更加复杂，因为压降还取决于空气流经机箱时的流速。此外，压降反过来又会受到流速的影响。更高的流速会导致更大的压降，但压降会降低流速。如果风扇选择不当，风扇可能无效。例如，在某些应用中，最终的压降和流速达到一个平衡点，低于从机箱中带走热量所需的水平。
确定每种应用的实际压降过于复杂，因为这需要对流体动力学方程有深入的了解。但是，我们可以使用下图1所示的设备特性曲线来近似计算。这将为我们提供一个初始起点，可用于更详细的评估。

图 1 - 器件特性曲线

根据之前计算的风量，曲线显示压降为 11 Pa。因此，我们需要一台能够在压降为 11 Pa 的情况下提供 84.5 m³/h 风量的风扇。
每家风扇制造商都会发布一张图表，显示其风扇在不同压降下的风量。下图 2 显示了五台风扇的曲线。浅色圆锥体表示每台风扇的最佳运行范围。在本例中，需要使用五号风扇才能保证在压降为 11 Pa 的情况下达到所需的 84.5 m³/h 风量。

图2 - 不同气压下的风扇流量

如何管理电源寿命：
电源设计人员在制造商应用设计功耗降低规则以确保产品拥有足够寿命之前，会考虑所有这些因素。这些规则并未考虑任务特性、环境、安装方向、位置、周围空间、负载以及终端设备中安装的冷却/通风系统。电容器的寿命，尤其是在对流或自然冷却环境下，应根据安装情况重新评估。

用户如何管理电源的使用寿命？

外壳温度：
显然，测量施加的纹波电流（电流信号的交流部分）并不实际。然而，由于整体设备设计和电源设计都会影响元件的有效工作温度，因此可以通过测量电容器的外壳温度，并应用阿伦尼乌斯方程和工况曲线，结合元件制造商规定的基本寿命，来很好地判断每个电容器的寿命。

寿命：
许多电源数据手册，例如 XP GCS 系列的数据手册，都会标明决定产品寿命的关键组件。对于需要终端设备外部散热的电源以及专为自然对流散热应用设计的电源而言，这一点尤为重要。
考虑这些组件有助于系统设计人员确定电源在最终应用中的寿命。下图所示的机械结构图标明了各个组件，曲线则根据两个电容（C6 和 C23）的温度指示了电源的预期寿命。

一旦确定了所需的压降和风量，还有一些其他因素需要考虑。如前所述，对于一般设备冷却，只要空气能够流过发热部件，风扇的位置可以任意。.

强制冷却：
对于采用强制冷却设计的电源，流经电源的空气量对其正常可靠运行至关重要。如果风扇无法直接放置在电源旁边，或者无法将全部气流导向电源，则所选风扇的额定风量必须更高。
有些风扇以每分钟线性英尺数 (LFM) 来表示风速，而另一些则以每分钟立方英尺数 (CFM) 或每小时立方米数 (m³/h) 来表示风量。要进行单位换算，您需要知道风扇通风系统的横截面积；这是唯一可靠的换算方法。对于强制冷却电源，所需的风量可以用风速（例如 LFM）或风量（例如 CFM）来表示。

除尘过滤器：
带风扇的设备通常配备过滤器，以防止灰尘进入。这些过滤器会增加气流阻力，导致压降，因此必须考虑其存在。更重要的是，随着过滤器被灰尘堵塞，​​压降会显著增加，原本性能良好的风扇在长时间使用后可能会效率下降。因此，应定期清洁或更换除尘过滤器。

如何最大限度地降低噪音：
在设备上加装风扇会使其产生明显的噪音。有些应用场景对噪音零容忍，例如医院或录音棚。即使在嘈杂的环境中使用，也通常需要尽可能降低此类干扰。这可以通过多种方法实现。

风扇轴承：
降低噪音的方法之一是使用配备高质量轴承的风扇。滚珠轴承风扇利用环绕轴身的滚珠环来解决磨损不均和转子摆动的问题，通常比套筒轴承风扇（轴承被包裹在套筒状结构中）更安静，而且使用寿命更长。当然，也有一些风扇在套筒轴承内注入润滑油，这可能会抵消上述优点。

叶片转速
：在相同风量下，较大的风扇通常比小的风扇更安静，因为它所需的叶片转速更低。风扇叶片经过风扇固定部件（例如支架或防护罩）附近时产生的噪音也必须考虑在内。如果防护罩能够稍微远离风扇叶片，就能降低噪音。
另一种减少此类干扰的方法是降低风扇的供电电压。风扇的规格中会标明其工作电压范围，而直流输入风扇的转速通常取决于实际的直流供电电压。风扇转速越慢，噪音就越小。

如何利用数据进行温度管理：
由于功率密度更高、散热器体积更小，现代电源的散热管理变得越来越重要。因此，数据手册现在包含系统设计人员所需的重要信息。通过为特定组件设定具体的最高温度，确保电源不会在过高的温度下运行。
使用此方法选择风扇后，应在最终配置中测量这些组件的温度，进行最终检查。如果组件温度似乎会超过数据手册中指示的值，则应重新评估气流及其方向。
如需了解更多关于正确电源散热的信息，请随时与我们联系。

关于作者：安德鲁·布莱尔斯
安德鲁·布莱尔斯以优异的成绩毕业于电气与电子工程专业，自 1990 年以来一直在电源行业工作。他已在 XP 工作超过 25 年，担任过各种工程、销售和管理职位，最终担任高级产品经理一职。

来源： https://www.xppower.com/resources/blog/hints-tips-cooling-fans-for-power-supplies?utm_source