手機(jī)殼式暖手寶的設(shè)計

沈周鋒，鄭慧珍

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，福建漳州 363000)

0 引言

用戶在冬季使用手機(jī)時，手指裸露在寒冷空氣中，給用戶帶來不舒適的使用體驗.張卓鈞和馮志彬提出了基于加熱片的暖手寶技術(shù)[1-2],實現(xiàn)暖手寶智能化.但是熱量傳導(dǎo)無方向性，應(yīng)用于手機(jī)殼中，極大影響手機(jī)原有散熱系統(tǒng)，使手機(jī)工作溫度升高.手機(jī)長時間在過熱環(huán)境中運行，系統(tǒng)效率降低，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致死機(jī).

制冷片是由半導(dǎo)體組成的一種冷卻裝置，既可以應(yīng)用于制冷，又能應(yīng)用于加熱.其特點是制冷效率不高，但是制熱效率突出，非常適用于手機(jī)殼式暖手寶[3-5].制冷片工作時，等同于熱泵，將手機(jī)的耗散熱量抽取至加熱部分，加快手機(jī)散熱的同時，手機(jī)熱量和制冷片自身耗散的熱量集中至加熱體，大大提高了電源應(yīng)用效率和電池續(xù)航.葛文超提出了一種制冷片驅(qū)動電路[6]，采用恒壓方式驅(qū)動電路，制冷功率不可調(diào)導(dǎo)致溫度不穩(wěn)定.本文基于手機(jī)暖手寶技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計了一個具有對手機(jī)制冷、對外加熱的手機(jī)殼式暖手寶，保障手機(jī)正常工作.利用鋰電池供電，恒流源電路驅(qū)動制冷片工作在多種功率.采用特殊的散熱片，傳導(dǎo)制冷片熱量的同時，作為加熱片進(jìn)一步提高暖手效果.采用電源管理電路，防止鋰電池的過充電和過放電，提高電池使用壽命.

1 基本原理

手機(jī)殼式暖手寶外形與手機(jī)套類似，吸附于手機(jī)背面.用戶使用手機(jī)時，多數(shù)手指置于手機(jī)背面，對手機(jī)背面加熱將極大改善用戶手指寒冷僵硬的現(xiàn)象.其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.制冷片工作時，等價于熱泵，將熱量從A面抽至B面.A面吸熱，則稱為冷面，B面散熱，則稱為熱面.其優(yōu)點在于不需要制冷劑，可連續(xù)工作，內(nèi)部無污染源且無旋轉(zhuǎn)部件，制冷制熱速度快，非常適合應(yīng)用于小型設(shè)備中.將制冷片安裝于暖手寶正中央，冷面朝左對著手機(jī)，熱面朝右.由于冷面和熱面需要快速導(dǎo)熱，避免熱量堆積損壞制冷片，因此制冷片雙面均需安裝散熱片.如圖1所示，制冷片左邊安裝冷面導(dǎo)熱片，快速將手機(jī)背面的熱量傳導(dǎo)至制冷片.冷面導(dǎo)熱片左邊安裝薄膜熱敏電阻1，用于測量手機(jī)背面溫度，防止手機(jī)溫度過高.制冷片熱面(右邊)安裝加熱片，該加熱片設(shè)計成特殊形狀，起到雙重作用.作用一是為制冷片熱面散熱，作用二是通入電流，為暖手寶進(jìn)一步加熱.加熱片右邊安裝薄膜熱敏電阻2，用于測量熱面溫度.鋰電池和線路板置于暖手寶外殼之內(nèi)，且置于熱面一側(cè).為整機(jī)提供電源和智能控制的同時，其耗散熱量用于暖手寶加熱.為了實現(xiàn)加熱片、冷面導(dǎo)熱片與制冷片充分導(dǎo)熱，其接觸部分均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂.制冷片四周采用隔熱材料填充，避免熱面的熱量擴(kuò)散到冷面中，破壞暖手寶的“對內(nèi)制冷、對外加熱”的效果.

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

加熱片示意圖如圖2所示，采用沖模的加工方法，將長方形金屬片，壓制成如下形狀.整個加熱片均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，保證整個矩形區(qū)域?qū)峋鶆?中央矩形金屬塊與制冷片熱面接觸，制冷片工作時起到散熱的作用.引腳1和2作為電阻連接加熱片驅(qū)動電路，通入電流時產(chǎn)生熱量.由于加熱片中的線路采用“之”字形走線，線與線之間的磁場互相抵消，電感量幾乎為0，表現(xiàn)為純電阻性.通過控制走線寬度和金屬片厚度，可以將電阻控制在一定的值.由于導(dǎo)熱硅脂均勻涂抹在加熱片表面，熱量能均勻的分布在整個加熱片區(qū)域中.

圖2 加熱片示意圖

電路原理框圖如圖3所示.整機(jī)采用鋰電池供電，采用電源管理芯片IP5306對其進(jìn)行充放電管理和剩余電量顯示.冷面和熱面測溫電路，分別檢測手機(jī)工作溫度和暖手寶溫度，并將溫度信號輸送給單片機(jī).單片機(jī)根據(jù)冷面和熱面溫度進(jìn)行邏輯判斷，控制制冷片驅(qū)動電路和加熱電路的功率，實現(xiàn)暖手寶功能.

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電池管理和電量顯示電路

暖手寶采用4.3 V鋰電池供電，過充電和過放電對電池的危害巨大[7].因此，采用IP5306芯片，進(jìn)行鋰電池充放電管理、剩余電量指示和電壓轉(zhuǎn)換.具體電路圖如圖4所示.

圖3 電路原理框圖Fig.3 CircuitBlockDiagram圖4 電池管理和電量顯示電路Fig.4 BatteryManagementandPowerDisplayCircuit

J1為充電接口，R1、C1和C2對正極進(jìn)行濾波后，送入U1的VIN引腳.該引腳兼容DC 5 V充電，最大充電電流達(dá)到2.1 A.J1采用MINI USB或者TYPE C接口，即可兼容市面上大部分的10 W手機(jī)充電器.D1至D4連接芯片的LED1至LED3引腳，用于顯示鋰電池剩余電量.當(dāng)剩余電量大于75%時，4個燈全亮；當(dāng)剩余電量小于75%且大于50%時，D1至D3亮，D4滅，依次類推.K1通過限流電阻R2連接KEY引腳，作為電源開關(guān).關(guān)機(jī)狀態(tài)下按鍵短按開啟電源輸出和LED顯示燈.開機(jī)狀態(tài)下雙擊按鍵，則關(guān)閉電源輸出和LED顯示.BAT引腳為升壓輸入引腳，連接鋰電池BT正極，C6和C7為去耦電容.SW為DC-DC開關(guān)引腳，L1為升壓電感.L1選用帶鐵芯的線繞功率電感，保證較高的電磁儲能性能.4.3V升壓為5V后，通過VOUT引腳輸出，為負(fù)載電路供電，C3至C5為去耦電容.

2.2 制冷片驅(qū)動電路

制冷片選用一冷科技的CP016107，最大制冷量達(dá)到6 W，遠(yuǎn)大于手機(jī)工作時的平均熱耗散功率，基本滿足手機(jī)制冷的需求.制冷片冷面溫度控制在20 ℃，熱面溫度控制在40 ℃，基本滿足暖手和手機(jī)工作溫度要求.則冷面熱面溫度差為20 ℃，根據(jù)制冷片性能曲線可知，3 W以下的制冷量時，工作電流小于1.6 A，工作電壓小于2 V.特定的溫差下制冷量和工作電流呈非線性，與工作電壓無直接關(guān)系，驅(qū)動電路采用TPS5432同步降壓芯片設(shè)計一個恒流源電路[8-10]，具體電路如圖5所示.5 V電源經(jīng)過C8去耦后，送入VIN引腳，為整個驅(qū)動電路提供直流電源.EN引腳為使能端，高電平使能，芯片進(jìn)入正常工作狀態(tài).低電平時，芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)，工作電流降到5 uA以下.該引腳連接單片機(jī)，可以控制制冷片開啟和關(guān)閉狀態(tài).PH為BUCK的開關(guān)引腳，經(jīng)過L2連接制冷片整機(jī).PH內(nèi)部的上拉場管導(dǎo)通時，電流流經(jīng)L2為制冷片供電.當(dāng)上拉場管截止時，L2感應(yīng)電流繼續(xù)供電.因此L2宜選用儲能性能較好的線繞功率電感，普通信號電感儲能性能差易燒毀.制冷片負(fù)極通過R7接地，R7將制冷片電流轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)過R6和R9分壓后，反饋到VSEN引腳中.芯片內(nèi)部電路對比VSEN電壓，當(dāng)電壓高于0.808 V時，降低PH引腳占空比，從而降低制冷片工作電流；反之，則增加占空比，增加制冷片工作電流.從而將制冷片工作電流穩(wěn)定在一定的值，且VSEN引腳電位穩(wěn)定在0.808 V.R8和C13組成阻容低通濾波電路，將單片機(jī)發(fā)出的PWM1信號濾波為直流電壓.直流電壓值與占空比呈正比，通過R5限流后送入VSEN引腳.當(dāng)PWM1占空比增大時，流過R5電流增加，芯片控制制冷片電流減小，使R6電流減小.因此，單片機(jī)控制PWM1占空比即可改變制冷片工作電流.

圖5 制冷片驅(qū)動電路

當(dāng)PWM1占空比等于0%，由于R5>>R8，則U1=0V，根據(jù)基爾霍夫電流定律，流過R6的電流為：

I6≈VSEN/R9+VSEN/R5≈196(μA)

(1)

從而推出U2電壓為：

U2=VSEN+R6I6=1(V)

(2)

由于R6>>R7，流過制冷片或者R7電流近似為：

I0≈U2/R7≈2(A)

(3)

同理得，當(dāng)PWM1占空比等于100%時，流過制冷片電流約為1 A.電熱片驅(qū)動電路采用與圖5類似的電路即可實現(xiàn)功率可調(diào)，不再贅述.

2.3 冷面和熱面測溫電路

測溫電路如圖6所示，采用熱敏電阻與定值電阻串聯(lián)，對5 V電源進(jìn)行分壓，送入單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換通道.當(dāng)溫度發(fā)生變化時，熱敏電阻阻值隨之變化，分壓比發(fā)生變化導(dǎo)致AD1和AD2電位發(fā)生變化.單片機(jī)內(nèi)部存儲熱敏電阻在各溫度下的阻值，通過查表即可得到實際的溫度值.電容C14至C17采用納法級別的小電容，用于穩(wěn)定AD1和AD2的電壓值.普通的熱敏電阻為圓柱狀或球形，暖手寶內(nèi)部空間均為扁平狀.因此采用薄膜熱敏電阻，厚度約為0.25 mm，傳感頭處厚度最大為0.4 mm，阻值精度為±1%，0～50 ℃環(huán)境下測溫誤差小于±0.5 ℃[11-12].涂抹了導(dǎo)熱硅脂后，非常適用于暖手寶中.

圖6 冷面和熱面測溫電路

3 軟件部分設(shè)計

軟件流程圖如圖7所示.電源管理電路按鍵按下時，5 V電壓供給單片機(jī).單片機(jī)首先進(jìn)行內(nèi)部單元初始化，主要配置AD轉(zhuǎn)換單元、定時器、PWM輸出和各引腳寄存器.隨后程序進(jìn)入死循環(huán).檢測制冷片冷面溫度T1和熱面溫度T2.當(dāng)溫度T1大于23 ℃或者雙面溫差大于10 ℃時，打開制冷片為手機(jī)降溫；當(dāng)溫度T2小于17 ℃且雙面溫差小于10 ℃時，關(guān)閉制冷片.雙面溫差大時，若制冷片停止工作，熱面熱量會擴(kuò)散到冷面，導(dǎo)致冷面溫度上升，不利于手機(jī)正常工作.此時，控制制冷片工作在小功率狀態(tài)，即可阻止熱量傳導(dǎo).當(dāng)溫度T2大于43 ℃時，關(guān)閉加熱片；當(dāng)溫度T2小于37 ℃時，打開加熱片.基于上述邏輯，將手機(jī)溫度控制在(20±5)℃，將暖手寶溫度控制在(40±5)℃.若采用恒功率制冷和加熱，會導(dǎo)致溫度波動較大，造成用戶忽冷忽熱的不舒適感.因此，需要根據(jù)溫度的不同調(diào)整制冷片和加熱片功率，實現(xiàn)類似“變頻空調(diào)”的效果.當(dāng)T1溫度大于20 ℃且差值越大，單片機(jī)加大制冷片工作電流，達(dá)到越快速降溫的效果；當(dāng)溫度趨近20 ℃時，逐漸減小制冷片工作電流.當(dāng)T2溫度小于40 ℃且差值越大，單片機(jī)越加大加熱片工作電流，實現(xiàn)快速制熱的效果；當(dāng)溫度趨近40 ℃時，逐漸減小加熱片工作電流.

圖7 軟件流程圖

4 整機(jī)測試

對整機(jī)進(jìn)行測試.充電和正常工作時，剩余電量指示燈能夠正常提示電量.鋰電池管理電路能夠正?？刂普麢C(jī)的打開和關(guān)閉.在18 ℃的室溫下，對暖手寶制冷和制熱溫度進(jìn)行測試，每30 S記錄一個數(shù)據(jù)到單片機(jī)斷電保護(hù)存儲器中.將數(shù)據(jù)讀出，繪制成曲線，如圖8所示.橫軸表示采樣點序號，縱軸表示溫度，單位為℃.開機(jī)時，起始溫度均為18 ℃，加熱片開啟，熱面溫度上升較快，冷面溫度由于熱面溫度的影響而緩慢上升.到第9個采樣點時，冷熱面溫差達(dá)到10 ℃，制冷片開啟并保持較低功耗，冷面溫度上升速度有所下降.到第17個采樣點時，熱面溫度達(dá)到43 ℃，加熱片關(guān)閉，熱面溫度隨后緩慢下降.到第38個采樣點時，冷面溫度達(dá)到23 ℃，制冷片開啟并保持較大功耗，冷面溫度下降，熱面溫度上升.后續(xù)曲線按照軟件設(shè)置的邏輯正常運行，不再贅述.外殼溫度曲線基本隨著熱面溫度的變化趨勢而變化.由于導(dǎo)熱的速度限制，外殼溫度的變化呈現(xiàn)出滯后性，且溫度變動的幅度相比熱面溫度有所減小.測試表明：暖手寶能夠有效的將手機(jī)溫度控制在(20±5)℃，熱面溫度控制在(40±5)℃.既充分利用手機(jī)耗散功率實現(xiàn)暖手效果，又保證了手機(jī)安全運行.

圖8 溫度變化曲線

5 結(jié)語

利用制冷片技術(shù)，設(shè)計了一款手機(jī)殼式暖手寶.采用鋰電池管理技術(shù)、恒流源技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，控制制冷片和加熱片的運行.驗證試驗表明：手機(jī)殼式暖手寶能夠有效的將手機(jī)工作溫度控制在(20±5)℃，同時起到暖手的效果.后續(xù)研究中，可以進(jìn)一步提高溫控能力，將溫度波動范圍縮小至更小范圍.