如何设计冷却系统，它的工作原理是怎样的？

在许多情况和应用中，工程师都会使用直流风扇提供强制空气对流对设备进行冷却。

它们的工作原理基于基本的物理学，在物理学中，流动的空气通过吸收热量并发散热量来有效地冷却物体。传递了多少能量取决于几个因素：运动空气的质量，运动空气的比热和传递给空气的温度变化。

在选择具有足够大小的尺寸和气流规格的风扇时，工程师必须进行基本的热分析，以确定所需的最小气流。这种热分析通常包括热源，温度升高和环境条件的建模，同时还确保了空气的有效气流流动路径。

上图：自然对流与强制空气对流

一旦完成热分析并选择了合适的风扇，工程师就可以简单地将风扇连接到电源，并允许风扇提供恒定风力进行通风冷却。但是，在大多数情况下，这种方法不能长期有效。如今，大多数人都提供了一系列选项，可以更好地进行监控，控制和管理。了解可用的选件可以使工程师充分利用所选风扇，并确保整个系统具有更高的可靠性。

基本的开/关风扇控制

如上所述，使风扇一直运行是一种简单的热管理方法，。但是，这种简单的方法并不节能，因为持续运转的风扇会消耗很大的功率，并且会产生一些噪声。风扇还包含各种活动部件，这些部件具有较长的使用寿命，但是使用寿命有限，在连续运行期间会更快地磨损。

开/关风扇控制的工作原理是这样的，当达到冷却阈值或温度到达设定点时，可以通过循环打开和关闭风扇来延长风扇寿命。循环打开和关闭风扇可以节省功率，可以延长风扇寿命，并在风扇不运行时减少噪音。

但是开/关风扇控制是一种比较简单的方法，并引入了自己的局限性。从热管理的角度来看，开/关风扇控制为要冷却的组件创建加热和冷却顺序。这种热循环可能是导致零件过早失效的主要因素，因为温度系数的差异会导致材料和接缝上的应力增加。实际上，与恒定高温下运行状态相比，热循环对组件有害，甚至更糟。

在风扇开始运行期间和空气开始冷却期间，热过冲也会起作用。除非将“风扇开启”设定点设置得较低，否则在冷却气流加速时会发生过热。最后，为限制开/关在设定点温度滞后附近的颤动，将需要风扇的冷却。

此处显示的曲线图用于显示由于开/关风扇控制应用中不可避免的热滞而导致的热超调。在图中，浅蓝色线表示所需的设定点温度，并包括阶跃变化，绿色线表示风扇的开/关循环，深蓝色线表示实际温度。

上图：开/关风扇控制，热超调和滞后

保护和控制

当今的风扇具有一系列控制和保护功能，可帮助设计人员更好地优化其热管理系统。这些控件可以克服基本开/关控制的限制，并可以提高性能，可靠性和效率。还有一些保护措施可以尽早发现风扇问题，从而延长风扇寿命并确保系统不会受到威胁。

为了更好地了解一些最常见的风扇控件，请参见以下内容：

脉宽调制（PWM）

脉宽调制（PWM）用于根据变化的热条件控制和更改风扇速度。作为改善风扇性能的第一步，基于PWM的变速控制可提高运行效率，并可与高级控制算法一起实施。这些高级控制算法可以考虑使用模式，能源成本等，同时适应使风扇速度与热负荷相匹配的运行动态。

通过将基本的开/关风扇控制升级为众所周知的比例积分微分（PI和PID）闭环控制策略，可以进一步采取这一措施。PI和PID控件使气流保持在所需的设定点温度，有助于避免负载变化时的温度过冲。

嵌入式转速表信号

嵌入式转速表通过脉冲信号感应并报告风扇的转速，是一种用于闭环反馈和更高级风扇控制的控件。如果风扇断电，因为障碍物或任何其他原因而无法运行，则嵌入式转速表也可用作锁定传感器。拥有这些检测功能是系统运行的主要优势，因为越早检测到负面条件，系统就可以越快关闭或处于非活动状态，以保护敏感组件。

自动重启保护

自动重启保护功能可检测何时阻止风扇电动机旋转并自动切断驱动电流。这种方法可以保护风扇驱动电路。

旋转检测/锁定传感器

顾名思义，旋转检测/锁定传感器检测风扇电动机是否正在运行或停止，以防止启动或运行期间出现问题。

结论

直流风扇是许多热管理系统解决方案的首选，可为系统提供强制风冷，并使组件保持在其运行范围内。借助一系列风扇控制和保护，工程师可以更好地优化空气冷却解决方案，以提高效率和可靠性。