一種微型商用風(fēng)機(jī)的低溫環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

一種微型商用風(fēng)機(jī)的低溫環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

曹紅

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

研究了一種微型商用風(fēng)機(jī)的低溫環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了該種商用風(fēng)機(jī)在低溫情況下失效的原因。并通過(guò)一些設(shè)計(jì)方法，使商用風(fēng)機(jī)能夠在惡劣低溫環(huán)境下使用。

風(fēng)機(jī)；低溫；環(huán)境適應(yīng)性

0 引言

在許多電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，需要選擇風(fēng)機(jī)對(duì)發(fā)熱器件進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，而某些電子設(shè)備的工作溫度低溫可到-40～-55 ℃。一般普通商用風(fēng)機(jī)的低溫工作溫度極限只能到-10～-20 ℃，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子設(shè)備要求的低溫工作溫度范圍。雖然有溫度范圍可到-55 ℃的國(guó)外軍用風(fēng)機(jī)，但是其價(jià)格昂貴，約為普通商用風(fēng)機(jī)的100倍，并且供貨渠道不暢，普通電子設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)成本難以接受。針對(duì)以上問(wèn)題，需從設(shè)計(jì)上找出一些可行的解決方案，在設(shè)計(jì)上采取一定的措施，既保證電子設(shè)備的正常散熱，又提升商用風(fēng)機(jī)使用的可靠性。

1 試驗(yàn)及問(wèn)題分析

某電子設(shè)備選用了EBM-papst公司的414JHH風(fēng)機(jī)散熱，該設(shè)備工作溫度范圍為-45～-55 ℃。在進(jìn)行低溫環(huán)境-45 ℃工作試驗(yàn)時(shí)，該型號(hào)風(fēng)機(jī)發(fā)生了損壞。

1.1 故障原因分析1.1.1 機(jī)械方面問(wèn)題分析

拆解風(fēng)機(jī)，414JHH風(fēng)機(jī)采用類似雙滾珠軸承模式。如果風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)，則有可能是軸承卡死，或局部轉(zhuǎn)動(dòng)受阻。實(shí)際損壞的風(fēng)機(jī)用手撥動(dòng)并未有卡塞現(xiàn)象，初步認(rèn)為不是機(jī)械故障。

1.1.2 電路方面問(wèn)題分析

將損壞的風(fēng)機(jī)和完好的風(fēng)機(jī)進(jìn)行開(kāi)封分析。風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)B1962M，旁邊有霍爾器件。電機(jī)線圈直接連接的驅(qū)動(dòng)部分電路原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分電路原理

對(duì)損壞的風(fēng)機(jī)進(jìn)行更進(jìn)一步的觀察，內(nèi)部直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的4只MOS管區(qū)域燒毀嚴(yán)重，而驅(qū)動(dòng)芯片及霍爾器件未見(jiàn)明顯燒毀。風(fēng)機(jī)線圈整體因過(guò)熱導(dǎo)致鐵芯表面塑料熔融炭化。將損壞風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)IC及霍爾器件替換到好的風(fēng)機(jī)上，并在常溫下檢測(cè)，風(fēng)機(jī)能夠正常工作。

根據(jù)以往H橋中MOS管燒毀原因分析，可知是上下管直通短路造成。其造成直通的原因是因?yàn)轵?qū)動(dòng)信號(hào)1和驅(qū)動(dòng)信號(hào)2同時(shí)開(kāi)啟。正常狀態(tài)下應(yīng)當(dāng)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)1和驅(qū)動(dòng)信號(hào)2同時(shí)關(guān)斷或其中一路開(kāi)啟一路關(guān)斷。

可查驅(qū)動(dòng)芯片LB1962M的工作溫度范圍為-30～+85 ℃，霍爾器件工作溫度范圍為-40～110 ℃，PMOS管和NMOS管型號(hào)不明，但一般適用范圍均為-55～150 ℃。

根據(jù)直流無(wú)刷電機(jī)的原理以及損壞風(fēng)機(jī)的各器件特征表象分析，風(fēng)機(jī)在低溫下?lián)p壞的原因是在低于-30 ℃之后，驅(qū)動(dòng)芯片LB1962M內(nèi)部時(shí)序錯(cuò)誤，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)信號(hào)1和驅(qū)動(dòng)信號(hào)2同步開(kāi)啟，直通短路所產(chǎn)生的過(guò)流造成MOS管失效，并最終導(dǎo)致風(fēng)機(jī)燒毀。

2 解決措施

2.1 進(jìn)行低溫控制

對(duì)于大部分電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱主要針對(duì)高溫工作段，對(duì)于常溫和低溫段可以依靠自然散熱就能滿足使用要求。

針對(duì)該型風(fēng)機(jī)在低溫條件下工作燒毀以及燒毀后其器件的各種表象，可以得出結(jié)論，即恢復(fù)到常溫后，導(dǎo)致故障發(fā)生的驅(qū)動(dòng)芯片LB1962M工作恢復(fù)正常。這為在風(fēng)機(jī)供電上增加溫度控制電路提供了充分的條件。

由于風(fēng)機(jī)在低溫環(huán)境下可靠性降低，在風(fēng)機(jī)供電上增加溫度控制電路，當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定的溫度控制點(diǎn)時(shí)，控制電路斷開(kāi)風(fēng)機(jī)電源，風(fēng)機(jī)停止工作，當(dāng)環(huán)境溫度高于溫度控制點(diǎn)時(shí)，控制電路接通風(fēng)機(jī)電源，風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作。溫度控制電路基本的電路原理如圖2所示。其中N1為溫度傳感器，作用是將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，通過(guò)一系列的后續(xù)電路來(lái)控制V3，V3為場(chǎng)效應(yīng)管?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整R2，R3的電阻配比進(jìn)行溫度控制點(diǎn)的設(shè)置[1]。

圖2 風(fēng)機(jī)低溫控制基本原理

2.2 對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行二次篩選

對(duì)于部分在低溫下依舊不能通過(guò)自然散熱滿足散熱要求的設(shè)備，即使在低溫下風(fēng)機(jī)也要保持開(kāi)啟狀態(tài)，這需要提高風(fēng)機(jī)在低溫工作下的可靠性。

在GJB 1032-1990《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》中，定義電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選的目的是，在電子產(chǎn)品上施加隨機(jī)振動(dòng)及溫度循環(huán)應(yīng)力，以鑒別和剔除產(chǎn)品工藝和元件引起的早期故障的一種工序或方法，通過(guò)應(yīng)力篩選并不能提高產(chǎn)品的質(zhì)量等級(jí)[2]。而QJ 10002-2008《宇航用元器件篩選指南》中,定義元器件補(bǔ)充篩選為“當(dāng)元器件使用方采購(gòu)的元器件達(dá)不到使用要求的可靠性時(shí)，可根據(jù)不同的用途選擇不同的篩選等級(jí)，進(jìn)行必要的補(bǔ)充篩選”。同時(shí)指出“篩選能提高元器件的可靠性，但不能將低質(zhì)量等級(jí)的元器件提升為高質(zhì)量等級(jí)的元器件。當(dāng)采購(gòu)不到高質(zhì)量等級(jí)的元器件，需要將低質(zhì)量等級(jí)的元器件應(yīng)用于要求較高的應(yīng)用等級(jí)時(shí)，還需進(jìn)行全面的鑒定、評(píng)價(jià)和考核[3]”。

通過(guò)對(duì)采購(gòu)回的商用風(fēng)機(jī)進(jìn)行有針對(duì)性的溫度循環(huán)篩選和低溫啟動(dòng)篩選，篩選條件如圖3和圖4所示，溫度極限值為實(shí)際設(shè)備的工作溫度極限值，分別做20個(gè)循環(huán)和15個(gè)循環(huán)。通過(guò)篩選條件的風(fēng)機(jī)才能裝配于實(shí)際產(chǎn)品中，從而大大地提高了整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。

圖3 溫度循環(huán)篩選溫度曲線

圖4 低溫啟動(dòng)篩選溫度曲線

2.3 對(duì)電壓進(jìn)行適當(dāng)降額

風(fēng)機(jī)為適應(yīng)于寬電壓范圍的產(chǎn)品，在一般正常溫度條件下，低于額定電壓的50%和超過(guò)額定電壓的25%情況下，風(fēng)機(jī)均可正常工作。但是在增加了低溫這一個(gè)環(huán)境因子后，風(fēng)機(jī)工作電壓的選擇和控制非常重要。

根據(jù)直流無(wú)刷電機(jī)的原理以及實(shí)物試驗(yàn)測(cè)試可知，當(dāng)溫度越低時(shí)，在相同的輸入電壓條件下風(fēng)機(jī)工作電流越大；工作電流越大，風(fēng)機(jī)的可靠性越低。因此，在低溫下控制甚至降低風(fēng)機(jī)的供電電壓，對(duì)風(fēng)機(jī)的可靠性提升也有非常大的幫助。一般選擇將風(fēng)機(jī)供電電壓穩(wěn)定在低于額定電壓的50%到額定電壓之間。

3 驗(yàn)證及測(cè)試

采用2.1節(jié)和2.3節(jié)的設(shè)計(jì)方案在某型電子設(shè)備中使用，生產(chǎn)上百套，在低溫環(huán)境試驗(yàn)中風(fēng)機(jī)從未發(fā)生故障，該設(shè)備已經(jīng)通過(guò)了第三方組織的可靠性鑒定試驗(yàn)，并完成設(shè)計(jì)定型。采用2.1節(jié)和2.3節(jié)的設(shè)計(jì)方案，在某功放組件中，共使用了33只風(fēng)機(jī)，經(jīng)低溫環(huán)境試驗(yàn)，所有風(fēng)機(jī)均未發(fā)生故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)一些有效的設(shè)計(jì)手段，提高商用風(fēng)機(jī)的可靠性，增加了風(fēng)機(jī)的選擇范圍，從而提高整個(gè)電子設(shè)備的可靠性和降低了電子設(shè)備的研發(fā)成本。由于風(fēng)機(jī)在使用過(guò)程中導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失效的環(huán)境因子較多，因此，只針對(duì)低溫一個(gè)環(huán)境因子。在實(shí)際使用過(guò)程中，還需要針對(duì)其他可能引起風(fēng)機(jī)失效的環(huán)境因子，對(duì)選用的風(fēng)機(jī)進(jìn)行校核。

[1] 劉有國(guó).一種避免風(fēng)機(jī)低溫失效的解決方案[J].機(jī)械與電子，2012(12):40-42.

[2] GJB 1032-1990 電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法[S].北京：航空航天工業(yè)部，1990.

[3] QJ 10002-2008 宇航用元器件篩選指南[S].北京：中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)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

曹紅(1976-)，女，四川遂寧人，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。