一款多功能智能散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李杭杭　鄒龍生

摘 要：為了解決智能散熱器應(yīng)用范圍受到限制的問題，筆者設(shè)計(jì)了一款多功能智能散熱器，它可運(yùn)用在智能手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備上，其目的是同時(shí)解決手機(jī)以及電腦散熱的問題。散熱器由兩部分組成，核心部件是單片機(jī)STC90C516RD，利用單片機(jī)做控制元件，控制半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行降溫，將溫度控制在合適的范圍內(nèi)。元件可拆卸且可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

關(guān)鍵詞：散熱器;單片機(jī);溫度傳感器;智能手機(jī);筆記本電腦

中圖分類號：TM925 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）3-0050-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.012

Structure Design of a Multifunctional Intelligent Radiator

LI Hanghang? ? ZOU Longsheng

（Guilin University Of Aerospace Technology， Guilin? 541004，China）

Abstract： In order to solve the problem that the application scope of intelligent radiator was limited， the author designed a multifunctional intelligent radiator， which could be used in smart phones， laptops and other devices. Its purpose was to solve the problem of heat dissipation of mobile phones and computers at the same time. The radiator consisted of two parts. The core component was the single chip microcomputer STC90C516RD. The single chip microcomputer was used as the control element to control the semiconductor refrigeration chip to cool down and control the temperature within an appropriate range. The components were removable and can be used for multiple purposes.

Keywords： radiator; single-chip computer ; temperature sensor; smart phone; laptop computer

0 引言

隨著社會的發(fā)展，智能手機(jī)、筆記本電腦已經(jīng)在社會大眾當(dāng)中普及，隨之帶來了手機(jī)、電腦發(fā)熱的困境。在高溫發(fā)熱情況下會影響其中的電子元件性能，輕則引起卡頓、死機(jī)，重則引起電子元器件燒毀。目前，手機(jī)和筆記本電腦逐漸趨于輕薄化發(fā)展，這使制造電子元器件的成本大大提高，維修費(fèi)用增加。電子器件發(fā)熱既會造成產(chǎn)品損耗，多消耗能源，又會造成經(jīng)濟(jì)損失。雖然眾多該設(shè)備制造廠商已經(jīng)注意到發(fā)熱問題，并且采取了一些措施，但其自帶的風(fēng)扇散熱系統(tǒng)仍然不能滿足散熱要求，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過程中發(fā)熱、升溫。目前市場存在的散熱器的缺點(diǎn)有功能單一、降溫速度慢、高能耗、無除塵清潔保護(hù)等。筆者設(shè)計(jì)一款多功能智能散熱器，目的是彌補(bǔ)市場上眾多散熱器的短板。

1 溫度升高的危害

在諸多電子產(chǎn)品的研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在濕度、溫度、振動、粉塵等諸多影響電子產(chǎn)品可靠性的因素中，溫度對電子信息類產(chǎn)品的影響最為重要。電子產(chǎn)品故障因素比例溫度為55%，振動為20%，濕度為19%，粉塵為6%。溫度過高會降低產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度、影響電子元器件的電性能、影響絕緣材料的絕緣性能。并且溫度變化會直接導(dǎo)致電子元器件部分或完全失去其相應(yīng)的電氣功能，這種失效的形式稱為熱失效。

2 總體設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的多功能智能散熱器是以單片機(jī)STC90C516RD為處理核心，分為兩個(gè)體系：手機(jī)散熱器系統(tǒng)和筆記本電腦散熱器系統(tǒng)。

第一，手機(jī)散熱器系統(tǒng)，其組成部分有電源輸入模塊、溫度采集模塊、Organic Light-Emitting Diode（簡稱OLED）顯示模塊、高溫警報(bào)模塊、風(fēng)扇散熱電機(jī)模塊、制冷片散熱模塊等。手機(jī)散熱器采用與手機(jī)外殼貼合的方式，使DS18B20溫度傳感器能夠測量到機(jī)身溫度。當(dāng)機(jī)身溫度低于65 °C時(shí)，會自動開啟均衡模式，此時(shí)僅有風(fēng)扇散熱系統(tǒng)工作;當(dāng)機(jī)身溫度高于65 °C時(shí)，散熱器外輪廓會閃爍紅色警示燈并伴有輕微震動來提示用戶，在無須人為干預(yù)情況下，會自發(fā)啟動冰冷散熱模式，使手機(jī)溫度在3 min內(nèi)下降到65 °C。

第二，筆記本電腦散熱器系統(tǒng)，其組成部分有電源輸入模塊、溫度采集模塊、CPU溫度的獲取模塊、OLED顯示模塊、高溫警報(bào)模塊（彩燈+揚(yáng)聲器）、風(fēng)扇散熱模塊、制冷片散熱模塊等。散熱器利用C++編程，通過計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)WMI實(shí)時(shí)獲取CPU以及其他硬件動態(tài)溫度數(shù)據(jù)，再結(jié)合DS18B20溫度傳感器所收集到的溫度信息，通過控制中心的智能分析，將溫度顯示在OLED顯示屏幕上。當(dāng)CPU溫度低于65 °C時(shí)，控制系統(tǒng)會開啟渦輪風(fēng)扇散熱模式;一旦溫度高于65 °C，揚(yáng)聲器會自動發(fā)生警報(bào)并提醒，并同時(shí)會強(qiáng)制開啟冰峰極速散熱模式，將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)高，啟動TEC1-12706半導(dǎo)體制冷片工作，將在1 min內(nèi)使CPU溫度降低到65 °C。采用這兩種模式工作，不僅可以減少電能的損耗，也可以使電腦的溫度維持在正常溫度。

3 工作原理

手機(jī)和電腦散熱器采用相同的散熱系統(tǒng)，通過DS18B20溫度傳感器和計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)WMI實(shí)時(shí)獲取CPU以及其他硬件動態(tài)溫度數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)STC90C516RD處理核心進(jìn)行分析計(jì)算后，發(fā)出各項(xiàng)指令，指令生效的操作步驟如圖1和圖2所示。

4 熱量計(jì)算

4.1 軟件說明

進(jìn)行熱量計(jì)算時(shí)，充分利用 Flotherm軟件進(jìn)行筆記本電腦、手機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算[1]。Flotherm運(yùn)用有限容積法，從描述流體運(yùn)動與熱能守恒控制方程入手，通過控制容積上的節(jié)點(diǎn)，對研究對象積分求解。傳熱問題的數(shù)學(xué)描述包括傳熱微分方程組和定解條件。傳熱微分方程組由質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程構(gòu)成[2]，如方程（1）（2）（3）所示。

Flotherm作為CFD軟件的一種[3]，其結(jié)構(gòu)由前處理器、求解器和后處理器構(gòu)成。數(shù)值模擬傳熱學(xué)的思路[4]：把空間、時(shí)間坐標(biāo)系下連續(xù)的溫度場用離散點(diǎn)上的值集合起來，用計(jì)算機(jī)按照一定方程模擬計(jì)算出溫度場的分布情況，來獲得特定離散點(diǎn)上需要的溫度值。這一思路具體包含如下步驟：①根據(jù)實(shí)際情況建立控制方程和求解條件;②確定研究問題的相關(guān)節(jié)點(diǎn);③建立節(jié)點(diǎn)相關(guān)迭代方程;④設(shè)定溫度場的迭代初值;⑤求解相關(guān)方程組;⑥根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析。Flotherm工作流程如圖3所示。首先建立電腦和手機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并鍵入各模塊相應(yīng)的物性參數(shù)，然后進(jìn)行劃分及數(shù)值計(jì)算。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得電子器件及電腦部件詳細(xì)的溫度分布，且計(jì)算結(jié)果的精度相對較高。

4.2 電腦散熱系統(tǒng)熱量分析

電腦散熱模組的結(jié)構(gòu)包括CPU上銅板、NB上銅線、均熱板、風(fēng)扇、導(dǎo)熱銅管、散熱器，實(shí)物示意圖如圖4所示。

筆記本電腦散熱模組的主要結(jié)構(gòu)有導(dǎo)熱銅管、均熱板和散熱器，常用的材料為鋁和銅，因?yàn)榕c其他金屬相比，鋁和銅的加工工藝簡單且導(dǎo)熱性能較好[2]。

4.2.1 溫度計(jì)算。在進(jìn)行模型分析的過程中需要實(shí)時(shí)掌握關(guān)鍵部位的溫度狀況，以便了解分析過程中是否有溫度獲取異常及錯誤情況。需要在CPU、顯卡等部位建立監(jiān)測點(diǎn)觀察溫度的高低，電腦性能主要取決于這些主要部件的狀態(tài)。Flotherm模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

其中，CPU、顯卡功率是在筆記本電腦運(yùn)行測試程序時(shí)由試驗(yàn)測量得出的，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。其他元件功率由試驗(yàn)測得電流及元件參數(shù)計(jì)算得出[5-6]?？偵崃考案鞣猪?xiàng)散熱量分別為式（4）（5）（6）。

式中：Q為向室內(nèi)空氣的對流散熱量，W;Q為向周圍物體的輻射散熱量，W;c為空氣的比熱容，kJ/（kg·°C）;ρα為空氣密度，kg/m;Vf為單位時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)散熱風(fēng)扇的風(fēng)量，m/s;t為計(jì)算機(jī)散熱風(fēng)扇的排風(fēng)溫度，°C;t為室內(nèi)空氣溫度，°C;h為計(jì)算機(jī)表面的總傳熱系數(shù)，W/（m·°C）;A、A分別為計(jì)算機(jī)的對流換熱面積、輻射換熱面積，m;ε為計(jì)算機(jī)表面的發(fā)射率;σ為黑體輻射常數(shù);X、X分別為計(jì)算機(jī)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面、周圍固體表面的角系數(shù);t為計(jì)算機(jī)表面的熱力學(xué)溫度，K;t、t分別為圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面、周圍固體表面的熱力學(xué)溫度，K。

4.2.2 主要部件產(chǎn)熱分析計(jì)算。假設(shè)初始溫度為室溫t=25 ℃，電腦開機(jī)1 h后，散熱量趨于穩(wěn)定，筆記本電腦穩(wěn)定在28～33 W[6]。進(jìn)入休息狀態(tài)后，電腦的散熱量在30 min內(nèi)迅速降至0～5 W

4.3 手機(jī)散熱系統(tǒng)熱量分析

手機(jī)主要產(chǎn)熱模組結(jié)構(gòu)有CPU、主板、散熱硅脂、石墨烯、相機(jī)模組、屏幕、電池、揚(yáng)聲器。密閉的手機(jī)空間內(nèi)部，適用的自然對流冷卻熱流密度的經(jīng)驗(yàn)值是0.8 mW/mm，即每平方毫米的面積上的功率是0.8 mW時(shí)，可以產(chǎn)生較好的對流冷卻效果。

5 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

5.1 電源模塊電路設(shè)計(jì)

散熱系統(tǒng)工作是能耗相對較高的過程，而本散熱器采用了間歇式工作方式，利用低功耗待機(jī)電路MEC原理對電源模組進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。本散熱器采用了兩種散熱模式：渦輪風(fēng)扇散熱模式和冰峰極速散熱模式。

5.2 溫度數(shù)據(jù)收集模塊電路設(shè)計(jì)

DS18B20的工作原理：低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號發(fā)送給計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2 s減為750 ms。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，其安裝快捷簡易，封裝后可以應(yīng)用在多種場合下，如磁鐵吸附式、管道式、不銹鋼封裝式、螺紋式，型號多種多樣，有TO-92、LTM8874等。外觀形式會隨著應(yīng)用場合的改變而改變。應(yīng)用的實(shí)例主要有：電信機(jī)房測量溫度，高壓鍋爐測量溫度，農(nóng)業(yè)大棚測量溫度，大型糧倉、冰箱空調(diào)測量溫度等多種需要測量溫度的場合。

5.3 制冷片模塊電路設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)熱交換的電子元件，可以把一面的熱量傳遞到另一面上，存在珀?duì)柼?yīng)。具體來說，一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料串聯(lián)成熱電偶，當(dāng)兩端之間有電流通過時(shí)，兩端之間就會產(chǎn)生熱量的轉(zhuǎn)移，可以使熱量從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而實(shí)現(xiàn)制冷的目的。這是因?yàn)閮?nèi)部電荷載體所處的能級不同，會產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象。

6 結(jié)語

本散熱器處于設(shè)計(jì)階段，可選擇多種模式來適應(yīng)不同的環(huán)境，其中采用抽風(fēng)式散熱，在散熱的同時(shí)，可以減少筆記本內(nèi)部堆積灰塵，同時(shí)可以減少高溫對筆記本電腦內(nèi)部電子元器件的損傷。但是，該智能散熱系統(tǒng)還存在不足，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：第一，風(fēng)扇散熱期間在高功率的運(yùn)行狀況下噪聲比較大，會影響使用體驗(yàn);第二，制作成本比較高，其中的電子零部件比較昂貴，可以在推廣商品時(shí)，適當(dāng)降低散熱器的硬件配置;第三，熱電制冷電能消耗比機(jī)械式制冷大。

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