0引言

随着社会的发展,智能手机､笔记本电脑已经在社会大众当中普及,随之带来了手机､电脑发热的困境｡在高温发热情况下会影响其中的电子元件性能,轻则引起卡顿､死机,重则引起电子元器件烧毁｡目前,手机和笔记本电脑逐渐趋于轻薄化发展,这使制造电子元器件的成本大大提高,维修费用增加｡电子器件发热既会造成产品损耗,多消耗能源,又会造成经济损失｡虽然众多该设备制造厂商已经注意到发热问题,并且采取了一些措施,但其自带的风扇散热系统仍然不能满足散热要求,导致设备运行过程中发热､升温｡目前市场存在的散热器的缺点有功能单一､降温速度慢､高能耗､无除尘清洁保护等｡笔者设计一款多功能智能散热器,目的是弥补市场上众多散热器的短板｡

1温度升高的危害

在诸多电子产品的研究结果中发现,在湿度､温度､振动､粉尘等诸多影响电子产品可靠性的因素中,温度对电子信息类产品的影响最为重要｡电子产品故障因素比例温度为55%,振动为20%,湿度为19%,粉尘为6%｡温度过高会降低产品机械强度､影响电子元器件的电性能､影响绝缘材料的绝缘性能｡并且温度变化会直接导致电子元器件部分或完全失去其相应的电气功能,这种失效的形式称为热失效｡

2总体设计

笔者设计的多功能智能散热器是以单片机STC90C516RD为处理核心,分为两个体系:手机散热器系统和笔记本电脑散热器系统｡

第一,手机散热器系统,其组成部分有电源输入模块､温度采集模块､OrganicLight-EmittingDi⁃ode(简称OLED)显示模块､高温警报模块､风扇散热电机模块､制冷片散热模块等｡手机散热器采用与手机外壳贴合的方式,使DS18B20温度传感器能够测量到机身温度｡当机身温度低于65°C时,会自动开启均衡模式,此时仅有风扇散热系统工作;当机身温度高于65°C时,散热器外轮廓会闪烁红色警示灯并伴有轻微震动来提示用户,在无须人为干预情况下,会自发启动冰冷散热模式,使手机温度在3min内下降到65°C｡

第二,笔记本电脑散热器系统,其组成部分有电源输入模块､温度采集模块､CPU温度的获取模块､OLED显示模块､高温警报模块(彩灯+扬声器)､风扇散热模块､制冷片散热模块等｡散热器利用C++编程,通过计算机管理系统WMI实时获取CPU以及其他硬件动态温度数据,再结合DS18B20温度传感器所收集到的温度信息,通过控制中心的智能分析,将温度显示在OLED显示屏幕上｡当CPU温度低于65°C时,控制系统会开启涡轮风扇散热模式;一旦温度高于65°C,扬声器会自动发生警报并提醒,并同时会强制开启冰峰极速散热模式,将风扇转速调高,启动TEC1-12706半导体制冷片工作,将在1min内使CPU温度降低到65°C｡采用这两种模式工作,不仅可以减少电能的损耗,也可以使电脑的温度维持在正常温度｡

3工作原理

手机和电脑散热器采用相同的散热系统,通过DS18B20温度传感器和计算机管理系统WMI实时获取CPU以及其他硬件动态温度数据,传输到单片机STC90C516RD处理核心进行分析计算后,发出各项指令,指令生效的操作步骤如图1和图2所示｡

4热量计算

4.1软件说明

进行热量计算时,充分利用Flotherm软件进行笔记本电脑､手机的设计计算｡Flotherm运用有限容积法,从描述流体运动与热能守恒控制方程入手,通过控制容积上的节点,对研究对象积分求解｡传热问题的数学描述包括传热微分方程组和定解条件｡传热微分方程组由质量守恒方程､动量守恒方程和能量守恒方程构成,如方程(1)(2)(3)所示｡

质量守恒方程为式(1)｡

Flotherm作为CFD软件的一种,其结构由前处理器､求解器和后处理器构成｡数值模拟传热学的思路:把空间､时间坐标系下连续的温度场用离散点上的值集合起来,用计算机按照一定方程模拟计算出温度场的分布情况,来获得特定离散点上需要的温度值｡这一思路具体包含如下步骤:①根据实际情况建立控制方程和求解条件;②确定研究问题的相关节点;③建立节点相关迭代方程;④设定温度场的迭代初值;⑤求解相关方程组;⑥根据计算结果进行数值分析｡Flotherm工作流程如图3所示｡首先建立电脑和手机的数学模型,并键入各模块相应的物性参数,然后进行划分及数值计算｡这种方法的优点是可以获得电子器件及电脑部件详细的温度分布,且计算结果的精度相对较高｡

4.2电脑散热系统热量分析

电脑散热模组的结构包括CPU上铜板､NB上铜线､均热板､风扇､导热铜管､散热器,实物示意图如图4所示｡

笔记本电脑散热模组的主要结构有导热铜管､均热板和散热器,常用的材料为铝和铜,因为与其他金属相比,铝和铜的加工工艺简单且导热性能较好｡

4.2.1温度计算｡在进行模型分析的过程中需要实时掌握关键部位的温度状况,以便了解分析过程中是否有温度获取异常及错误情况｡需要在CPU､显卡等部位建立监测点观察温度的高低,电脑性能主要取决于这些主要部件的状态｡Flotherm模型参数设置如表1所示｡

式中:Qche-R为向室内空气的对流散热量,W;Qche-R为向周围物体的辐射散热量,W;cα为空气的比热容,kJ/(kg·°C);ρα为空气密度,kg/m3;Vf为单位时间内计算机散热风扇的风量,m3/s;tf为计算机散热风扇的排风温度,°C;tα为室内空气温度,°C;h为计算机表面的总传热系数,W/(m2·°C);AV､AR分别为计算机的对流换热面积､辐射换热面积,m2;ε为计算机表面的发射率;σb为黑体辐射常数;Xc,e､Xc,s分别为计算机与围护结构表面､周围固体表面的角系数;t为计算机表面的热力学温度,K;te､ts分别为围护结构表面､周围固体表面的热力学温度,K｡4.2.2主要部件产热分析计算｡假设初始温度为室温t0=25℃,电脑开机1h后,散热量趋于稳定,笔记本电脑稳定在28~33W｡进入休息状态后,电脑的散热量在30min内迅速降至0~5W｡

4.3手机散热系统热量分析手机主要产热模组结构有CPU､主板､散热硅脂､石墨烯､相机模组､屏幕､电池､扬声器｡密闭的手机空间内部,适用的自然对流冷却热流密度的经验值是0.8mW/mm2,即每平方毫米的面积上的功率是0.8mW时,可以产生较好的对流冷却效果｡

5系统电路设计

5.1电源模块电路设计

散热系统工作是能耗相对较高的过程,而本散热器采用了间歇式工作方式,利用低功耗待机电路MEC原理对电源模组进行优化改进｡本散热器采用了两种散热模式:涡轮风扇散热模式和冰峰极速散热模式｡

5.2温度数据收集模块电路设计

DS18B20的工作原理:低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号发送给计数器1,高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入,得到的温度值的位数因分辨率不同而不同,且温度转换时的延时时间由2s减为750ms｡

DS18B20数字温度传感器的优点非常明显,其安装快捷简易,封装后可以应用在多种场合下,如磁铁吸附式､管道式､不锈钢封装式､螺纹式,型号多种多样,有TO-92､LTM8874等｡外观形式会随着应用场合的改变而改变｡应用的实例主要有:电信机房测量温度,高压锅炉测量温度,农业大棚测量温度,大型粮仓､冰箱空调测量温度等多种需要测量温度的场合｡

5.3制冷片模块电路设计

半导体制冷片是一个热交换的电子元件,可以把一面的热量传递到另一面上,存在珀尔帖效应｡具体来说,一块N型半导体材料和一块P型半导体材料串联成热电偶,当两端之间有电流通过时,两端之间就会产生热量的转移,可以使热量从一端转移到另一端,从而实现制冷的目的｡这是因为内部电荷载体所处的能级不同,会产生吸热和放热现象｡

6结语

本散热器处于设计阶段,可选择多种模式来适应不同的环境,其中采用抽风式散热,在散热的同时,可以减少笔记本内部堆积灰尘,同时可以减少高温对笔记本电脑内部电子元器件的损伤｡但是,该智能散热系统还存在不足,主要体现在以下三个方面:第一,风扇散热期间在高功率的运行状况下噪声比较大,会影响使用体验;第二,制作成本比较高,其中的电子零部件比较昂贵,可以在推广商品时,适当降低散热器的硬件配置;第三,热电制冷电能消耗比机械式制冷大｡

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