Sistema de enfriamiento para Leds con Termistor y pwm

Mas alla de tu resolución, qué prohibe poner dos termistores y dos controles?
Proteger los LEDs es mas importante que esperar a que se queme el que no esperas que lo haga!!

Yo no dudaría. Te sobran pines, te sobra capacidad de cálculo del arduino.
Porque no gastar algo mas y usar otro termistor?

En 6 if que no estan anidados (dentro de un while) siempre vuelves a hacer la conversión analogRead(termistor) para qué? lo mismo con digitalRead(relay)!

En su lugar, lo haces al comienzo, cargas su valor en una variable y es lo mismo.
Nada va a cambiar tan rápido a nivel termino en esos microsegundos de código y en algo que vigilas a lo largo de 1.5 minutos!!

No se si funcionará pero debería

bool brelay = digitalRead(relay);
unsigned int itermistor = analogRead(termistor);;

//Si los led están encendidos y el termistor esta por debajo de 630
if (!brelay) {
    if (itermistor < 630) {
        if (flag_millis == false) { 
            cap_millis = millis();  // Capturo el tiempo en el que se encendieron los leds
            flag_millis = true;              
        }
        //  Acá hago lo mismo pero le sumo 1.5 minutos al tiempo que capture antes y lo comparo con millis()
        if (millis() > (cap_millis + 90000)) {  
            pwmWrite(PWM_fan_leds, 255);  //Si pasados 1.5 minutos el termistor sigue estando por debajo de 630 enciendo los coolers                                                                    
        }
    }
    if (itermistor >= 620) {
        if (itermistor>= 730) { // Condiciono la lectura maxima del termistor
            termistor_val= 730; 
        }
        if (itermistor <= 350) { // Condiciono la lectura minima del termistor
            termistor_val = 350;
        }
        termistor_val       = map(itermistor, 350, 730, 180, 255);
        pwmWrite(PWM_fan_leds, termistor_val);
        porcentaje_fan_leds = map(termistor_val, 180, 255, 0, 100); 
    }
}
else  { // Si los Leds estan apagados
    flag_millis = false;
    if ((itermistor <= 610)) { // Si los Leds están apagados
        pwmWrite(PWM_fan_leds, 0);
        porcentaje_fan_leds = 0; 
    } 
}