一款多功能智能散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì) 2022-07-13

0引言

隨著社會(huì)的發(fā)展,智能手機(jī)?筆記本電腦已經(jīng)在社會(huì)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(huì)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(huì)造成產(chǎn)品損耗,多消耗能源,又會(huì)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(chǎng)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(chǎng)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(dòng)?粉塵等諸多影響電子產(chǎn)品可靠性的因素中,溫度對(duì)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(dòng)為20%,濕度為19%,粉塵為6%?溫度過高會(huì)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(huì)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?OrganicLight-EmittingDi?ode(簡(jiǎn)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(cè)量到機(jī)身溫度?當(dāng)機(jī)身溫度低于65°C時(shí),會(huì)自動(dòng)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(huì)閃爍紅色警示燈并伴有輕微震動(dòng)來提示用戶,在無須人為干預(yù)情況下,會(huì)自發(fā)啟動(dòng)冰冷散熱模式,使手機(jī)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(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(dòng)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(huì)開啟渦輪風(fēng)扇散熱模式;一旦溫度高于65°C,揚(yáng)聲器會(huì)自動(dòng)發(fā)生警報(bào)并提醒,并同時(shí)會(huì)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(dòng)TEC1-12706半導(dǎo)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(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(dòng)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?Flotherm運(yùn)用有限容積法,從描述流體運(yùn)動(dòng)與熱能守恒控制方程入手,通過控制容積上的節(jié)點(diǎn),對(duì)研究對(duì)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(dòng)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(xué)的思路:把空間?時(shí)間坐標(biāo)系下連續(xù)的溫度場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(jiǎn)單且導(dǎo)熱性能較好?

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(cuò)誤情況?需要在CPU?顯卡等部位建立監(jiān)測(cè)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?

式中:Qche-R為向室內(nèi)空氣的對(duì)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(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)散熱風(fēng)扇的風(fēng)量,m3/s;tf為計(jì)算機(jī)散熱風(fēng)扇的排風(fēng)溫度,°C;tα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/(m2·°C);AV?AR分別為計(jì)算機(jī)的對(duì)流換熱面積?輻射換熱面積,m2;ε為計(jì)算機(jī)表面的發(fā)射率;σb為黑體輻射常數(shù);Xc,e?Xc,s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;te?ts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t0=25℃,電腦開機(jī)1h后,散熱量趨于穩(wěn)定,筆記本電腦穩(wěn)定在28~33W?進(jìn)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(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(duì)流冷卻熱流密度的經(jīng)驗(yàn)值是0.8mW/mm2,即每平方毫米的面積上的功率是0.8mW時(shí),可以產(chǎn)生較好的對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(hào)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2s減為750ms?

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