12V温度制御ファンを設計する：風量・電源・故障処理から販売前の確認まで

1. 冷却する筐体と、製品が担う範囲を決める

乾燥した屋内で使う電子機器筐体を想定し、内部発熱8W、外気0～40°C、DC12V入力、排気ファン1台を条件とします。商用電源は購入した外付けACアダプタだけに接続し、本体には商用電源回路、電池、無線、ヒーターを入れません。通常の機器冷却を補助する製品であり、医療、防火、生体飼育などの安全維持は担当せず、発熱する機器の電源も遮断しません。

通常時の提案目標は「外気40°C、発熱8Wで代表高温部の空気温度55°C未満」です。60°Cで点検を促す警報を出しますが、それで全ての部品温度が安全になるわけではありません。冷却対象機器にはファン故障に耐える設計または独立した温度保護が必要です。閾値確定前に、対象部品の温度上限を確認します。

最初の熱収支はQ = P/(ρcₚΔT)です。空気密度1.2kg/m³、比熱1005J/(kg·K)、空気の温度上昇10Kを仮定すると、8Wに必要な流量は0.000663m³/s = 2.39m³/hです。均一に混ざる理想計算で、すきま流れ、再循環、局所高温、フィルタ抵抗は含みません。汚れたフィルタを模擬した条件で実装流量6m³/h以上を初期目標とし、実筐体で温度目標を確認します。余裕分は設計上の仮定であり、温度保証の計算結果ではありません。

2. 構成と候補BOMを具体化する

電源経路は「DCジャック → 入力保護 → 保護後12Vのファン分岐、および3.3V LDO → MCU・センサ・PWMバッファ」です。モータの帰路と入力コンデンサの電流ループを、センサやリセットの帰路から離します。入力、保護後12V、3.3V、PWM、回転信号、リセット、GNDに測定点を設け、SWD書込み端子も残します。

開発候補のNoctua NF-A8 PWMは12V、80 × 80 × 25mm、掲載最大電流0.08A、最大動作電圧13.2V、PWM 0%で停止する品種です。最大風量55.5m³/hは自由空間側の値、17.7dB(A)は単体の仕様値であり、製品筐体の性能ではありません。付属の低騒音化用抵抗アダプタは、この制御経路には入れません。

温度センサTMP117は−40～70°Cでセンサ自体の最大誤差±0.15°Cとされていますが、取付位置の誤差はそれより大きくなり得ます。安価なNTC分圧方式へ変更するなら、抵抗、NTC特性、ADC基準、自己発熱、断線・短絡検出まで誤差予算を作り直します。STM32C011F6は無線を持たず、タイマ、I²C、ウォッチドッグを備える候補です。発注型番、端子割当て、多重機能と書込み端子を確定してから配線します。

3. 定常・起動・配線の予算を分ける

GST18Bの資料では12V品は1.5A、電圧許容差±3%です。本体設計ではこれより広い11.4～12.6VをDCジャックの仮の受入範囲とし、日本の入力電圧かつ軽負荷で付属電源を評価します。18Wは十分な容量ですが、その電源の過負荷保護だけでは細いファン配線を守れません。

ファン掲載最大値80mA、表示と余裕を含む3.3V電子回路20mA、入力保護の静止電流約0.4mAを予算化すると、LDO構成の12V入力は約100.4mA、DC電力は1.205Wです。20mAは設計予算であり、MCUの実測値ではありません。コンセント側の電力は、この軽負荷での効率を調べて求めます。定格負荷時の効率を流用しません。

ファン資料だけでは起動や内部再始動の電流波形は確定できません。測定までファン起動を0.30Aと仮定します。電子回路20mAに加え、47µFを20msで12.6Vへ充電する電流はCΔV/Δt = 29.6mAなので、過渡電流を約0.35Aで設計します。これはファン仕様ではありません。eFuseの公称0.5A制限を出発点とし、TPS26600の資料から最大・最小制限電流と起動タイマを計算し、温度範囲で誤遮断しないことを確かめます。

追加延長ケーブルを使う例では、銅線往復0.14Ω、接点0.10Ω、保護回路の高温時余裕0.30Ωを仮定します。0.35Aで電圧降下は0.189V、ジャック11.4Vからファン側には11.211Vが残ります。銅線のみの損失は0.35² × 0.14 = 17.2mWです。抵抗値は確定した線材・接点・eFuseの最悪値へ置換します。コンデンサだけで起動を賄うこともできません。0.30Aを10ms、電圧降下0.5V以内で支えるには6mFが必要で、47µFなら約78µsです。

4. 4線インターフェースを、リセット中も含めて設計する

速度制御中もファン電源は連続供給します。1番GND、2番保護後12V、3番回転信号、4番PWMです。Noctuaのインターフェース資料は目標25kHz、許容21～28kHz、非反転のデューティ定義を示し、PWM入力がHighなら全速です。PWM端子に12Vを加えません。

4線ファンでよく見るオープンコレクタ駆動でも、このメーカーは内部プルアップが弱く波形が崩れるとして推奨せず、CMOS駆動を勧めています。この候補ではSN74LVC1G125を3.3Vで使用し、100nFの局所デカップリング、負論理OEの10kΩプルアップ、A入力の100kΩプルダウン、Y出力直列100Ωを初期値とします。3ステートと電源断時保護を利用し、ファンの内部プルアップ電圧に対する出力・電源断条件を確認します。直列抵抗はEMI調整の初期値で、実配線の波形で確定します。

バッファ有効化前に入力をHighとし、25kHzタイマを準備してからOEをLowにします。リセット中はOEがHighで出力を解放するため、ファン電源があれば全速要求になります。通常デューティはファン端子のHigh時間率です。タイマクロック48MHz、分周なしなら1920カウントで25kHzです。実際のタイマ入力クロックと0%/100%端点のグリッチを確認します。PWM短絡や12V喪失は、この初期状態では救えません。

回転信号こそオープンコレクタです。3.3Vへ10kΩでプルアップすると約0.33mAとなり、MCU直前に1kΩと初期値1nFを設けます。1回転2パルスなのでrpm = 30f、2200rpmなら73.3Hz、周期13.6msです。短い時間窓で数えるだけでなく周期を取得し、異常に短いエッジを除外します。最終ハーネスで立上りとパルス幅を確認し、Highに固定された信号を回転の証拠にしません。

5. 温度と故障を状態機械にする

温度は2Hzで取得し、起動時にセンサIDと設定を検証、I²C処理に時間制限を設け、正常変換の時刻を保存します。通常制御には時定数2sの一次フィルタを使い、過温度判定には有効な生データも使います。温度センサは温かい排気を代表する位置に置き、LDO、MCU、筐体壁、冷たい吸気直撃から離します。スリットや小さい別基板で基板からの熱伝導を抑えます。短い内部配線を前提とし、長い外付けI²Cプローブへはそのまま拡張しません。

下表の閾値は用途上の提案値で、センサの定格ではありません。速度を下げるときは毎秒5ポイント以内とし、異常・警報時の増速は即時にします。電源投入後は有効な温度が2回得られるまで100%です。独立ウォッチドッグは公差を含む最大復旧1sを仮目標とし、センサ・制御・出力の各タスクが完了したときだけ更新します。CPUが停止してもPWMタイマは古い指令を継続し得るため、リセットまでの遅れも検証します。

センサ断線、SDA/SCL短絡、ID異常、範囲異常、最終変換から1.5s超で全速と故障ラッチにします。同じもっともらしい値を返し続ける故障は、これらだけでは検出できない場合があります。変換完了状態も確認し、冷却対象が要求するなら独立センサを検討します。センサ1個とウォッチドッグだけで安全保護機能を成立させることはできません。

6. 接合温度と筐体を一緒に確認する

LDOが供給するのは電子回路だけです。12.6V、20mAでは(12.6−3.3) × 0.020 = 0.186W、静止電流・設定回路に入力側0.1mAを仮置きして約0.1873Wです。実際の静止電流上限、出力誤差、容量条件はTPS7A16の資料で確認します。この損失にファン電流を掛けません。

通気閉塞の故障で基板周辺空気60°C、有効θJAを70または150°C/Wと仮定すると、Tj ≈ Ta + Pθは73.1°Cまたは88.1°Cです。電子回路が将来50mA連続へ増えると約0.466W、同じ150°C/Wで約130°Cとなり、提案設計目標105°Cを超えます。LEDの高輝度化や周辺回路追加も熱設計変更です。ここでのθJAは感度解析用の仮定でありパッケージ保証ではありません。TIの熱指標解説が説明するように、試験基板のθJAだけでは密閉筐体内の接合温度を確定できません。

選定パッケージの放熱パッド、はんだ接合面積、サーマルビアを設計し、実装後にも確認します。細い熱電対でケース・基板温度を測り、適用条件と限界を確認したΨJTや検証済みモデルで接合温度を推定します。赤外線カメラには放射率と反射の確認が必要です。清浄フィルタ、汚れ模擬、回転拘束、通気口閉塞で、ファンハブ、LDO、保護IC、ジャック、最も熱いコンデンサを記録します。通常動作をサーマルシャットダウンに依存させません。

排気を絞らない吸気面積を設け、ファン枠の周囲からの再循環を防ぎます。ガード、吸音材、防振材は圧力損失や共振を変えるため、同じ実装流量で取付方向やグリル間隔を比較します。最低入力・フィルタ装着状態で起動も確認します。完成品の仮の騒音目標は8W・外気25°Cで1m、30dB(A)以下とし、暗騒音と異音を記録します。暗騒音が高ければ判定できません。ファンのMTTF値を製品寿命や保証期間へ置き換えません。

7. 国内販売の対象判断を、ラベル作成前に済ませる

本例のDC12V専用コントローラとファンについては、経産省の対象範囲資料では一般の直流機器は原則としてPSEの指定対象外、外付けAC/DCアダプタは特定電気用品という整理になります。ただしこれは初期評価で、個別製品の公的判定ではありません。経産局FAQは用途・機能・構造・定格から判断すること、本体が対象外でも同梱品は対象になり得ることを示しています。不明な場合は最終回路、銘板、アダプタ・コード、販売形態を揃えて対象確認します。

国内発売では国内の責任主体が分かる供給経路からアダプタと適合する日本向けACコードを調達し、現物のひし形PSE表示、定格、届出事業者等の表示、型番に対応した証拠を確認・保存します。メーカーの世界向け資料に「PSE」とあるだけでは現物確認を代替できません。自社が輸入事業者になるなら、経産省の事業者向けガイドに沿って届出、適合性検査、検査・記録、表示等の該当義務を整理します。電源の適合で本体全体が認証されるわけではなく、対象外のDC本体に見栄えのためPSEを付けることもしません。

完成品のEMC計画は製品分類を確認して試験所と決めます。VCCIはマルチメディア機器を対象とする自主規制であり、MCU搭載だけで本ファン制御器がMMEになり登録義務が生じるわけではありません。一方、モータ転流、クロック、ケーブルのコモンモード電流、25kHzのエッジは妨害源になり得ます。最終アダプタ・ハーネス・筐体で予備評価を行い、CISPR 32が全機器へ自動適用されると決めつけず、製品に適した規格を選びます。

CE表示やFCCの手続は、MCUがあるだけで日本向け販売の必須条件にはなりません。EU向けにはEMC指令など該当法令、技術文書、適合宣言を別途評価します。DC12VだからEU法令が全て対象外になるわけではありません。米国向けにはFCC Part 15の分類と§15.103の家電等の除外条件を完成品機能から判断し、全てのファン制御器に一律のFCC認証が必要と説明しません。輸出仕様は別の発売構成として管理します。

8. 発売条件を試験表と保守資料へ落とす

下表は提案試験であり、試験報告書でも適合証明書でもありません。各試験に基板版数、ファームウェアのハッシュ、ファン・電源ロット、校正済み計器、周囲条件、台数、写真、生ログを残します。初期評価は少なくとも3台を出発点とし、信頼性・量産認定の台数は故障リスクと事業要件から決めます。試作3台が通ること自体を寿命の根拠にはしません。

選定ファンには内部の拘束保護と再始動動作があります。12Vを残して10s全速を要求し、再始動期間も観察しますが、異物から回復する保証にはなりません。機械的な閉塞を調べずに電源再投入を繰り返しません。センサ故障と停止は同時に起こり得るため、両方を記録し、全速要求と「冷却未確認」の表示を残します。

発売前に回路図、基板データ、代替品を限定したBOM、筐体・ガード図面、ソースと書込みバイナリのハッシュ、書込み・出荷検査手順、危険源評価、供給者の適合資料、梱包・落下試験仕様、日本語説明書を発行します。DC12V、極性、指定電源、屋内温度条件、型式・ロットを表示します。必要な高温注意、ガードを外さないこと、粉じん試験から決めた清掃・フィルタ交換周期、保守前の電源遮断、警報時の対応を説明します。

出荷検査では版数・CRC、温度の妥当性、模擬温度による状態遷移、2段階の指令での回転、故障LED、認定試験で定めた入力電流範囲を確認し、製造番号と結果を保存します。電源投入で回るだけでは不足です。基準機と治具点検記録を残し、返品から軸受音、目詰まり、端子損傷、温度ずれを追います。補修用の互換ファン・電源を確保し、代替時は停止特性、電流、騒音、EMCを再評価します。試験、対象判断、量産記録が揃うまで発売判定は未完です。