DC 風扇的控制和防護選項詳解

DC 風扇是廣為人知且廣泛運用的熱管理裝置，可單獨使用、串聯或並聯，以達到強制空氣對流散熱。具有多功能性和相對簡單的操作，因此多年來一直是改善終端應用溫度曲線的忠實選擇。根據基礎物理，風扇所產生的移動空氣能吸收熱能，再將熱能從裝置中轉移出去進行散熱，因此能有效讓元件降溫。但是，此效果會受到眾多因素的影響，工程師若對 DC 風扇的特性及可用選項有更進一步的瞭解，將有利於改善可靠性與效率。

圖 1：自然對流與強制空氣對流散熱的比較 (圖片來源： Same Sky)

若要開始挑選 DC 風扇，工程師必須進行一些基本的熱分析，以計算最小氣流需求。典型的熱分析可能包括熱源、環境條件和溫升的模型建構。還有其他因素也要納入考量，例如風扇尺寸、風扇方向以及應用中的氣流路徑，以確保實作適當的解決方案。Same Sky 的部落格文章《瞭解氣流的基本知識以便正確挑選 DC 風扇》，對於熱分析與挑選過程提供更進一步的說明。

完成熱分析並選擇適當的尺寸與風扇額定值後，就只剩開啟風扇電源即可運作，對吧？雖然在某些情況下，讓風扇保持全時運作是最符合其用途的作法，但持續的強制氣流散熱通常無法達到節能或長期的解決方案。當今的 DC 風扇提供設計人員一系列控制、監測與防護選項，可增進其熱管理能力。本文的其餘部分將著重於這些特點，以利設計人員從更進階的風扇控制技術中受益。

開／關循環

如上所述，讓風扇全時操作固然能讓溫度敏感的元件保持低溫，但也不能忽視其消耗的電力，以及風扇內活動式零件的操作壽命有限的事實。風扇運作時，也可能會在多種應用與環境中產生令人不悅的噪音。

讓風扇在溫度設定點附近開／關循環也是一種替代作法，可減輕風扇連續操作的一些缺點。風扇開／關控制技術會限制運作時間，藉此節省電力，也能讓風扇的活動式元件壓力減輕，並且可在溫度降至設定點以下時，關閉風扇循環，減少噪音。

然而，風扇開／關控制在許多層面上來說是過於簡易的強制空氣散熱作法，也有其自身的缺點。首先，開／關控制技術會讓溫度敏感元件暴露在冷熱循環中。熱循環對於關鍵元件來說一樣有害，甚至比恆定升溫操作更糟。這是因為熱循環會產生溫度係數的差異，進而導致材料與焊點受到額外壓力而提早引發故障。

其次，無法避免的熱過衝也是因素之一。這是指風扇啟動到產生強制空氣並實際開始散熱之間的時間延遲。在此延遲期間，除非降低「風扇開啟」設定點，否則有可能會發生元件過熱情況。此外，若降低設定點，風扇通電的時間，以及產生噪音的時間都會增加。最後，為了避免在設定點上下迅速開／關切換 (通常稱為顫動)，必須採用磁滯。

下圖有助於說明風扇開／關控制應用中，熱延遲引起的熱過衝難題。此圖顯示出期望的設定點溫度與一個步進變化 (淡藍色)、風扇的開／關循環 (綠色)，以及實際溫度 (深藍色)。

圖 2：風扇開／關循環會引起熱過衝與延遲 (圖片來源： Same Sky)

如今的風扇控制選項

如今的 DC 風扇為設計人員提供一系列控制與防護選項，因此能更進一步微調熱管理系統。這些進階設計讓風扇開／關控制的效能、效率與可靠度更上一層樓。亦提供防護選項，可在問題導致風扇與其散熱之元件受損前，偵測到問題所在。以下介紹一些最常見的風扇控制和防護選項：

脈寬調變

脈寬調變 (PWM) 是一種常見的方法，會依據不同的熱情況控制及變更風扇的速度。PWM 可變速度控制在搭配進階控制演算法後，可達到更高的工作效率，因為此演算法會適應操作動態，讓風扇速度配合熱負載。

風扇開／關控制亦可使用此方法進行升級，只要採取比例式積分微分 (PI 與 PID) 封閉迴路控制策略即可。這些策略可確保氣流條件維持在期望的設定點溫度，因此儘管負載改變，亦有助於避免熱過衝或下衝。

嵌入式轉速計訊號

嵌入式轉速計會測量脈衝輸出訊號的頻率，藉此感測並回報風扇的轉速，適用於封閉迴路回饋以及更進階的風扇控制。亦可當作鎖定感測器，若風扇因為停電、受阻等原因而停止操作，就會向使用者發出警示。若可盡早偵測到這些問題，對系統操作來說將是一大優勢，即可及時關閉系統，保護溫度敏感的元件。

自動重新啟動防護

自動重新啟動防護功能會偵測風扇馬達是否受阻而無法轉動，若偵測到就會自動切斷驅動電流。這可保護風扇驅動電路，然後通知風扇控制器，因驅動電流關閉而發生急迫問題。

旋轉偵測／鎖定感測器

轉動偵測／鎖定感測器可用來偵測風扇馬達是否正在操作或停止，可在啟動或操作期間預防問題產生。

總結

當應用產生多餘熱量時，經常會選用 DC 風扇讓元件保持在工作溫度限值內並提升散熱效果。在一些基本的熱分析後，挑選風扇並讓其持續運作固然是選項之一，但也有更進階的風扇控制與防護，能讓設計人員享有更長久的操作壽命與更高的效率。Same Sky 提供完整的 DC 風扇與鼓風機產品組合，並提供多種尺寸、氣流、速度與控制功能，能讓挑選過程更簡便。