一种微型商用风机的低温环境适应性设计

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

一种微型商用风机的低温环境适应性设计

曹红

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

研究了一种微型商用风机的低温环境适应性设计方法，详细分析了该种商用风机在低温情况下失效的原因。并通过一些设计方法，使商用风机能够在恶劣低温环境下使用。

风机；低温；环境适应性

0 引言

在许多电子设备的设计中，需要选择风机对发热器件进行强迫风冷散热，而某些电子设备的工作温度低温可到-40～-55 ℃。一般普通商用风机的低温工作温度极限只能到-10～-20 ℃，都远远小于电子设备要求的低温工作温度范围。虽然有温度范围可到-55 ℃的国外军用风机，但是其价格昂贵，约为普通商用风机的100倍，并且供货渠道不畅，普通电子设备的研发生产成本难以接受。针对以上问题，需从设计上找出一些可行的解决方案，在设计上采取一定的措施，既保证电子设备的正常散热，又提升商用风机使用的可靠性。

1 试验及问题分析

某电子设备选用了EBM-papst公司的414JHH风机散热，该设备工作温度范围为-45～-55 ℃。在进行低温环境-45 ℃工作试验时，该型号风机发生了损坏。

1.1 故障原因分析1.1.1 机械方面问题分析

拆解风机，414JHH风机采用类似双滚珠轴承模式。如果风机不转，则有可能是轴承卡死，或局部转动受阻。实际损坏的风机用手拨动并未有卡塞现象，初步认为不是机械故障。

1.1.2 电路方面问题分析

将损坏的风机和完好的风机进行开封分析。风机的驱动芯片为LB1962M，旁边有霍尔器件。电机线圈直接连接的驱动部分电路原理如图1所示。

图1 风机驱动部分电路原理

对损坏的风机进行更进一步的观察，内部直接驱动电机的4只MOS管区域烧毁严重，而驱动芯片及霍尔器件未见明显烧毁。风机线圈整体因过热导致铁芯表面塑料熔融炭化。将损坏风机的驱动IC及霍尔器件替换到好的风机上，并在常温下检测，风机能够正常工作。

根据以往H桥中MOS管烧毁原因分析，可知是上下管直通短路造成。其造成直通的原因是因为驱动信号1和驱动信号2同时开启。正常状态下应当为驱动信号1和驱动信号2同时关断或其中一路开启一路关断。

可查驱动芯片LB1962M的工作温度范围为-30～+85 ℃，霍尔器件工作温度范围为-40～110 ℃，PMOS管和NMOS管型号不明，但一般适用范围均为-55～150 ℃。

根据直流无刷电机的原理以及损坏风机的各器件特征表象分析，风机在低温下损坏的原因是在低于-30 ℃之后，驱动芯片LB1962M内部时序错误，导致驱动信号1和驱动信号2同步开启，直通短路所产生的过流造成MOS管失效，并最终导致风机烧毁。

2 解决措施

2.1 进行低温控制

对于大部分电子设备来说，强迫风冷散热主要针对高温工作段，对于常温和低温段可以依靠自然散热就能满足使用要求。

针对该型风机在低温条件下工作烧毁以及烧毁后其器件的各种表象，可以得出结论，即恢复到常温后，导致故障发生的驱动芯片LB1962M工作恢复正常。这为在风机供电上增加温度控制电路提供了充分的条件。

由于风机在低温环境下可靠性降低，在风机供电上增加温度控制电路，当环境温度低于设定的温度控制点时，控制电路断开风机电源，风机停止工作，当环境温度高于温度控制点时，控制电路接通风机电源，风机开始工作。温度控制电路基本的电路原理如图2所示。其中N1为温度传感器，作用是将环境温度转换成为电压信号，通过一系列的后续电路来控制V3，V3为场效应管。可以通过调整R2，R3的电阻配比进行温度控制点的设置[1]。

图2 风机低温控制基本原理

2.2 对风机进行二次筛选

对于部分在低温下依旧不能通过自然散热满足散热要求的设备，即使在低温下风机也要保持开启状态，这需要提高风机在低温工作下的可靠性。

在GJB 1032-1990《电子产品环境应力筛选方法》中，定义电子产品环境应力筛选的目的是，在电子产品上施加随机振动及温度循环应力，以鉴别和剔除产品工艺和元件引起的早期故障的一种工序或方法，通过应力筛选并不能提高产品的质量等级[2]。而QJ 10002-2008《宇航用元器件筛选指南》中,定义元器件补充筛选为“当元器件使用方采购的元器件达不到使用要求的可靠性时，可根据不同的用途选择不同的筛选等级，进行必要的补充筛选”。同时指出“筛选能提高元器件的可靠性，但不能将低质量等级的元器件提升为高质量等级的元器件。当采购不到高质量等级的元器件，需要将低质量等级的元器件应用于要求较高的应用等级时，还需进行全面的鉴定、评价和考核[3]”。

通过对采购回的商用风机进行有针对性的温度循环筛选和低温启动筛选，筛选条件如图3和图4所示，温度极限值为实际设备的工作温度极限值，分别做20个循环和15个循环。通过筛选条件的风机才能装配于实际产品中，从而大大地提高了整个产品的可靠性。

图3 温度循环筛选温度曲线

图4 低温启动筛选温度曲线

2.3 对电压进行适当降额

风机为适应于宽电压范围的产品，在一般正常温度条件下，低于额定电压的50%和超过额定电压的25%情况下，风机均可正常工作。但是在增加了低温这一个环境因子后，风机工作电压的选择和控制非常重要。

根据直流无刷电机的原理以及实物试验测试可知，当温度越低时，在相同的输入电压条件下风机工作电流越大；工作电流越大，风机的可靠性越低。因此，在低温下控制甚至降低风机的供电电压，对风机的可靠性提升也有非常大的帮助。一般选择将风机供电电压稳定在低于额定电压的50%到额定电压之间。

3 验证及测试

采用2.1节和2.3节的设计方案在某型电子设备中使用，生产上百套，在低温环境试验中风机从未发生故障，该设备已经通过了第三方组织的可靠性鉴定试验，并完成设计定型。采用2.1节和2.3节的设计方案，在某功放组件中，共使用了33只风机，经低温环境试验，所有风机均未发生故障。

4 结束语

通过一些有效的设计手段，提高商用风机的可靠性，增加了风机的选择范围，从而提高整个电子设备的可靠性和降低了电子设备的研发成本。由于风机在使用过程中导致风机失效的环境因子较多，因此，只针对低温一个环境因子。在实际使用过程中，还需要针对其他可能引起风机失效的环境因子，对选用的风机进行校核。

[1] 刘有国.一种避免风机低温失效的解决方案[J].机械与电子，2012(12):40-42.

[2] GJB 1032-1990 电子产品环境应力筛选方法[S].北京：航空航天工业部，1990.

[3] QJ 10002-2008 宇航用元器件筛选指南[S].北京：中国航天标准化研究所，2008.

Cryogenic Temperature Environmental Adaptability Design for a Commercial Grade Micro Fan

CAOHong

(Southwest Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

In this paper，a design method which use a kind of commercial grade micro fan in cryogenic temperature be researched，and the failure reason of the fan in cryogenic temperature be analysed carefully also.through some design method，this commercial grade micro fan can be used in severe cryogenic temperature environment.

fan；cryogenic temperature；environmental adaptability

2014-08-25

TS737.1

A

1001-2257(2014)12-0065-02

曹红(1976-)，女，四川遂宁人，高级工程师，主要从事电子设备结构设计。