高效筆記本散熱器設(shè)計

馬宏坤 湯子越 龔啟家 邱泉 湯莉莉* 尤澤原

（1.湖北大學知行學院計算機與信息工程學院 湖北武漢 430011；2.湖北民族大學智能科學與工程學院湖北恩施 445000）

筆記本計算機散熱器是一種能夠延長筆記本計算機使用壽命的小設(shè)備，目的是使筆記本計算機內(nèi)部形成的熱能能夠更快地傳播到計算機外面，這樣一來就不會危害筆記本計算機的正常功能，也沒有讓計算機的內(nèi)部線路形成太熱軟化現(xiàn)象，從而增加了應(yīng)用年限，并確保筆記本計算機能夠正常工作。由于筆記本計算機散熱片的功能很多，所以對于筆記本計算機而言，在性能和便攜性競爭中，散熱成為了最重要的原因。筆記本計算機散熱量大始終是筆記本計算機核心技術(shù)中的瓶頸，能夠有效保護內(nèi)部的低溫度工作環(huán)境，是能夠高效減少筆記型電腦內(nèi)部工作溫度的小裝置。而筆記本電腦散熱片一般都只能幫助筆記本電腦散熱，而大部分的散熱片主要是通過提高底部塑料外殼的內(nèi)部空氣流通速率，來實現(xiàn)降低筆記本電腦外殼工作溫度，而由于筆記本電腦的內(nèi)部熱能大多通過CPU風扇來強制將對流帶出來，而筆記本電腦的散熱片接力將內(nèi)部熱能全部帶走才能實現(xiàn)降溫，所以單純外部散熱片效果上還無法保持最理想的溫度狀態(tài)，如果能夠讓其自身能制冷，那么就大大提高了散熱效果。目前，市面上已有的各類散熱器優(yōu)缺點十分明顯，且都難以攜帶，價格昂貴。通過對市面上各類散熱器的分析，以及對使用電子產(chǎn)品的人群進行調(diào)研，為此設(shè)計了一款易攜帶的便捷散熱器［1-2］。

1 總體設(shè)計方案

高效筆記本電腦散熱器整體結(jié)構(gòu)原則：通過對筆記本電腦的USB 端口或者充電寶、電源USB 端口直接供電，對筆記本電腦進行降溫散熱。利用溫度傳感器采集的筆記本或電腦體溫，自動控制散熱器的開關(guān)，也可手動控制開關(guān)，處于常開模式。高效筆記本散熱器的整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計方案框圖

1.1 方案選材

（1）散熱器的主控單片機選用的是型號W1209 溫控器。

（2）選用的半導體制冷片型號為JB17206，其功率低，散熱性較強，為此我們采用該型號半導體制冷片。

（3）散熱器電源接口使用的是USB-type-C，可以將USB接口接在電腦上，也可以攜帶便捷式充電寶，其極大地滿足了便攜性這一優(yōu)點。

1.2 制冷方案設(shè)計

綜合考慮日常使用的安全性、可靠性、節(jié)能性、高效性，對市場上已有的多種材料進行了對比，最終決定使用半導體制冷片為電腦進行散熱處理。當有輸出電壓穿過由各種類型的導線所構(gòu)成的電路中時，除了形成不可逆式的焦耳熱外，在各個導線的連接處，由于輸出電壓方向的差異會產(chǎn)生放熱等現(xiàn)象。使用鋁片為電腦端進行導熱，在其后端外加一個小型風扇為放熱端散發(fā)熱量，雙重散熱，以達到高效散熱的目的［3-4］?？紤]到節(jié)能的情況下，設(shè)計出了兩種工作模式。（1）日常工作模式：日常工作模式即通電狀態(tài)下散熱器的半導體制冷片與小型風扇一直處于工作狀態(tài)，即為日常工作狀態(tài)。（2）節(jié)能模式：節(jié)能模式則使用溫度傳感器采集筆記本電腦主板周圍的溫度，在檢測到溫度超過設(shè)定的溫度值時，散熱器開始工作，為電腦主板周圍進行降溫處理，通過一段時間的降溫使溫度降低到正常范圍內(nèi)時，散熱器停止工作，進入待機狀態(tài)，從而實現(xiàn)自主節(jié)能。

1.3 W1209溫控器使用原理介紹

W1209溫控器設(shè)置啟動溫度，關(guān)閉溫度，作為中轉(zhuǎn)開關(guān)控制半導體制冷片，自動開關(guān)以達到節(jié)能目的。W1209溫控器控溫原理如圖2所示。

圖2 W1209溫控器控溫原理圖

采用的XH-W1209溫控器，其工作精度較高，溫度采集范圍較大（其最高限定溫度為110℃，最低限制溫度為零下50℃），其電路板上裝有蜂鳴器，可在溫度達到設(shè)置值之上時發(fā)出警報，提醒使用者，以便于使用者進行下一步操作，以免儀器損壞［5-6］。

分析了市面上大多數(shù)的溫度傳感器的型號，其中，主要的有螺紋頭、水滴頭、空氣頭、圓環(huán)頭、磁鐵頭、探針式。螺紋頭、磁鐵頭個形較大，占空間較大，不宜放在散熱器中；水滴頭空氣頭因其外表是塑料，當長時間使用后，可能會對其表現(xiàn)有影響，從而影響其測量溫度的準確性；探針式靈敏性較高，有不銹鋼探頭，多股銅線鍍錫護套。所以，經(jīng)過多組實驗的對比，最終采用探針式作為我們的溫度傳感探頭。

1.4 技術(shù)難點

（1）對溫度檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集與處理。必須設(shè)計選用對溫度敏感的設(shè)備模塊，要求溫度數(shù)值精確、溫度數(shù)據(jù)采集時間短等特點。

（2）當設(shè)備自動運行時，能人為控制整個系統(tǒng)，就要做到人為控制權(quán)限大于設(shè)備自動控制系統(tǒng)。

（3）半導體制冷片的特點很明顯，一面制冷，一面產(chǎn)生熱量，需要的是其制冷的優(yōu)良效果，需要摒棄的是其產(chǎn)生的熱量。而半導體制冷片工作時產(chǎn)生的熱量最好的辦法就是通過無刷風扇將其吹出整個設(shè)備內(nèi)部，要考慮的是風扇最佳的安裝部位，這個還需要大量的實驗檢測來確定具體的部位。

（4）用戶在不同工作環(huán)境的狀態(tài)下不能影響設(shè)備的工作效率而且要能夠保障設(shè)備的穩(wěn)定狀態(tài)，這是至關(guān)重要的一方面。

2 設(shè)計方案特點及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 特點介紹

本外置筆記本散熱器是以單片機為核心處理器、半導體制冷片、熱敏電阻、W1209 溫控器、USB 供電模組等構(gòu)成的一款高效筆記本散熱器，具體實現(xiàn)功能如下。當用戶的筆記本電腦長時間工作發(fā)熱時，該設(shè)備檢測到筆記本電腦主板附近溫度過高，散熱器設(shè)備自動處于工作狀態(tài)，對用戶的電腦主板附近進行降溫處理，溫度下降到一定程度后，散熱器會自動關(guān)閉，節(jié)約電量。當用戶自身將筆記本處于高強度工作下，發(fā)熱量將增大需要啟動散熱器制冷系統(tǒng)時，用戶可自行通過散熱器上的控制開關(guān)進行調(diào)節(jié)，對設(shè)備進行降溫處理。本設(shè)備使用半導體制冷片降溫，用風扇加上鋁片導熱給半導體散熱，低功耗下制冷量效率高，適合用于小型設(shè)備，不會過多耗電，并且本設(shè)備有自動開關(guān)功能，避免因用戶使用完忘記關(guān)閉而產(chǎn)生多余耗電，溫度太低導致設(shè)備內(nèi)有冷凝水，損壞筆記本電腦。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）對溫度控制系統(tǒng)的檢測。當溫度達到某一設(shè)定值時，制冷系統(tǒng)將自行開啟，及時對設(shè)備降溫。

（2）對手動控制系統(tǒng)的檢測。當使用人想自行降溫，可手動調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)開關(guān)，提前對相應(yīng)設(shè)備降溫。

（3）對鼓風系統(tǒng)的檢測。核心部件制冷系統(tǒng)檢測完畢，需要對鼓風系統(tǒng)檢測，制冷系統(tǒng)對空氣進行制冷操作后，需要鼓風系統(tǒng)將冷風鼓出進入筆記本電腦內(nèi)部，冷風帶走熱量，從而對設(shè)備進行降溫。

（4）對工作環(huán)境的檢測。檢測設(shè)備工作于不同環(huán)境的效率及穩(wěn)定狀態(tài)。

3 整體測試與分析

3.1 高效筆記本散熱器整體結(jié)構(gòu)

高效筆記本散熱器整體實物如圖3 所示，整個散熱器由外殼、制冷模塊、控制模塊3 個部分組成，控制模塊采用自動控制和手動控制兩種方式。（1）自動控制：當溫度升高到一定值時，設(shè)備自動監(jiān)測到高溫，立即開啟制冷系統(tǒng)和鼓風系統(tǒng)，對設(shè)備及時降溫，溫度降低后自動關(guān)閉，節(jié)約電量。（2）手動控制：當用戶想通過提前控溫來實現(xiàn)自己的筆記本電腦不出現(xiàn)高溫情況，可以通過按設(shè)備上的手動控制按鈕開啟設(shè)備，讓設(shè)備一直處于開啟模式，持續(xù)給設(shè)備降溫。

圖3 筆記本散熱器整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.2 散熱器的整體調(diào)試

散熱器最終實現(xiàn)的功能有如下幾點。

（1）對溫度控制系統(tǒng)的檢測。當溫度達到一特定值時，制冷系統(tǒng)制動開啟。

（2）對手動控制系統(tǒng)的檢測。當人們想自行降溫，可手動調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)，對設(shè)備進行降溫。

（3）對工作環(huán)境的檢測。檢測設(shè)備工作于不同環(huán)境的效率及穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 散熱器溫度控制系統(tǒng)檢測測試

（1）將散熱器供電后，與一臺發(fā)熱筆記本電腦貼合，筆記本后蓋溫度超過界限值，散熱器開始自動工作。

（2）將散熱器供電后，與一臺發(fā)熱的筆記本電腦貼合，筆記本后蓋溫度未超過界限值，使用者人為按鍵降溫，制冷系統(tǒng)開始工作。

3.4 散熱器工作環(huán)境檢測測試

將散熱器供電后，與一臺發(fā)熱的筆記本電腦貼合，散熱器溫度顯示器顯示與紅外線測溫器測溫結(jié)果接近。

4 結(jié)語

通過多次反復調(diào)試和修改線路，可以成功實現(xiàn)高效筆記本散熱器預設(shè)的所有功能，在24h 的范圍內(nèi)測試穩(wěn)定，控制可靠，只是在溫控導熱片的選材過程中遇到過一些麻煩，經(jīng)過不斷的實驗測試，最終找到了最合適的導熱片。方案的意義在于將筆記本散熱器的效率最大化，能夠使得市面上90%的設(shè)備能夠有效使用，深化了筆記本散熱器的概念，為筆記本散熱器的設(shè)計提供了一定的參考價值。本方案可應(yīng)用推廣到臺式電腦散熱系統(tǒng)、智能家居等領(lǐng)域。