0引言

隨著社會的發(fā)展,智能手機?筆記本電腦已經(jīng)在社會大眾當中普及,隨之帶來了手機?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,重則引起電子元器件燒毀?目前,手機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,但其自帶的風扇散熱系統(tǒng)仍然不能滿足散熱要求,導致設(shè)備運行過程中發(fā)熱?升溫?目前市場存在的散熱器的缺點有功能單一?降溫速度慢?高能耗?無除塵清潔保護等?筆者設(shè)計一款多功能智能散熱器,目的是彌補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)品機械強度?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致電子元器件部分或完全失去其相應的電氣功能,這種失效的形式稱為熱失效?

2總體設(shè)計

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

第一,手機散熱器系統(tǒng),其組成部分有電源輸入模塊?溫度采集模塊?OrganicLight-EmittingDi?ode(簡稱OLED)顯示模塊?高溫警報模塊?風扇散熱電機模塊?制冷片散熱模塊等?手機散熱器采用與手機外殼貼合的方式,使DS18B20溫度傳感器能夠測量到機身溫度?當機身溫度低于65°C時,會自動開啟均衡模式,此時僅有風扇散熱系統(tǒng)工作;當機身溫度高于65°C時,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,在無須人為干預情況下,會自發(fā)啟動冰冷散熱模式,使手機溫度在3min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?高溫警報模塊(彩燈+揚聲器)?風扇散熱模塊?制冷片散熱模塊等?散熱器利用C++編程,通過計算機管理系統(tǒng)WMI實時獲取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CPU溫度低于65°C時,控制系統(tǒng)會開啟渦輪風扇散熱模式;一旦溫度高于65°C,揚聲器會自動發(fā)生警報并提醒,并同時會強制開啟冰峰極速散熱模式,將風扇轉(zhuǎn)速調(diào)高,啟動TEC1-12706半導體制冷片工作,將在1min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溫度傳感器和計算機管理系統(tǒng)WMI實時獲取CPU以及其他硬件動態(tài)溫度數(shù)據(jù),傳輸?shù)絾纹瑱CSTC90C516RD處理核心進行分析計算后,發(fā)出各項指令,指令生效的操作步驟如圖1和圖2所示?

4熱量計算

4.1軟件說明

進行熱量計算時,充分利用Flotherm軟件進行筆記本電腦?手機的設(shè)計計算?Flotherm運用有限容積法,從描述流體運動與熱能守恒控制方程入手,通過控制容積上的節(jié)點,對研究對象積分求解?傳熱問題的數(shù)學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,如方程(1)(2)(3)所示?

質(zhì)量守恒方程為式(1)?

Flotherm作為CFD軟件的一種,其結(jié)構(gòu)由前處理器?求解器和后處理器構(gòu)成?數(shù)值模擬傳熱學的思路:把空間?時間坐標系下連續(xù)的溫度場用離散點上的值集合起來,用計算機按照一定方程模擬計算出溫度場的分布情況,來獲得特定離散點上需要的溫度值?這一思路具體包含如下步驟:①根據(jù)實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;③建立節(jié)點相關(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)計算結(jié)果進行數(shù)值分析?Flotherm工作流程如圖3所示?首先建立電腦和手機的數(shù)學模型,并鍵入各模塊相應的物性參數(shù),然后進行劃分及數(shù)值計算?這種方法的優(yōu)點是可以獲得電子器件及電腦部件詳細的溫度分布,且計算結(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?風扇?導熱銅管?散熱器,實物示意圖如圖4所示?

筆記本電腦散熱模組的主要結(jié)構(gòu)有導熱銅管?均熱板和散熱器,常用的材料為鋁和銅,因為與其他金屬相比,鋁和銅的加工工藝簡單且導熱性能較好?

4.2.1溫度計算?在進行模型分析的過程中需要實時掌握關(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?

式中:Qche-R為向室內(nèi)空氣的對流散熱量,W;Qche-R為向周圍物體的輻射散熱量,W;cα為空氣的比熱容,kJ/(kg·°C);ρα為空氣密度,kg/m3;Vf為單位時間內(nèi)計算機散熱風扇的風量,m3/s;tf為計算機散熱風扇的排風溫度,°C;tα為室內(nèi)空氣溫度,°C;h為計算機表面的總傳熱系數(shù),W/(m2·°C);AV?AR分別為計算機的對流換熱面積?輻射換熱面積,m2;ε為計算機表面的發(fā)射率;σb為黑體輻射常數(shù);Xc,e?Xc,s分別為計算機與圍護結(jié)構(gòu)表面?周圍固體表面的角系數(shù);t為計算機表面的熱力學溫度,K;te?ts分別為圍護結(jié)構(gòu)表面?周圍固體表面的熱力學溫度,K?4.2.2主要部件產(chǎn)熱分析計算?假設(shè)初始溫度為室溫t0=25℃,電腦開機1h后,散熱量趨于穩(wěn)定,筆記本電腦穩(wěn)定在28~33W?進入休息狀態(tài)后,電腦的散熱量在30min內(nèi)迅速降至0~5W?

4.3手機散熱系統(tǒng)熱量分析手機主要產(chǎn)熱模組結(jié)構(gòu)有CPU?主板?散熱硅脂?石墨烯?相機模組?屏幕?電池?揚聲器?密閉的手機空間內(nèi)部,適用的自然對流冷卻熱流密度的經(jīng)驗值是0.8mW/mm2,即每平方毫米的面積上的功率是0.8mW時,可以產(chǎn)生較好的對流冷卻效果?

5系統(tǒng)電路設(shè)計

5.1電源模塊電路設(shè)計

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,利用低功耗待機電路MEC原理對電源模組進行優(yōu)化改進?本散熱器采用了兩種散熱模式:渦輪風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

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)換時的延時時間由2s減為750ms?

DS18B20數(shù)字溫度傳感器的優(yōu)點非常明顯,其安裝快捷簡易,封裝后可以應用在多種場合下,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?外觀形式會隨著應用場合的改變而改變?應用的實例主要有:電信機房測量溫度,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

半導體制冷片是一個熱交換的電子元件,可以把一面的熱量傳遞到另一面上,存在珀爾帖效應?具體來說,一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料串聯(lián)成熱電偶,當兩端之間有電流通過時,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,從而實現(xiàn)制冷的目的?這是因為內(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)計階段,可選擇多種模式來適應不同的環(huán)境,其中采用抽風式散熱,在散熱的同時,可以減少筆記本內(nèi)部堆積灰塵,同時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)在以下三個方面:第一,風扇散熱期間在高功率的運行狀況下噪聲比較大,會影響使用體驗;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,適當降低散熱器的硬件配置;第三,熱電制冷電能消耗比機械式制冷大?

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