一種機(jī)械硬盤加熱電路的實(shí)現(xiàn)

譚旭良　徐琥

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械硬盤加熱電路，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械硬盤低溫正常運(yùn)行，同時(shí)避免被過度加熱，杜絕了因其它電路（檢測、控制及開關(guān)）異常而導(dǎo)致加熱部分持續(xù)加熱引發(fā)燒毀設(shè)備甚至起火的現(xiàn)象。本文闡述了電路原理及電路實(shí)現(xiàn)，電路主要包括處理器部分、溫度感知部分、電源開關(guān)部分、加熱部分。電路從溫度感知到加熱控制，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)。加熱部分選用PTC自控溫加熱膜，具有高溫自保護(hù)性能，加熱不會超過設(shè)定的最高溫度。

關(guān)鍵詞：機(jī)械硬盤 電源開關(guān) 加熱膜 溫度感知 自控溫

1 引言

一般地，常規(guī)機(jī)械硬盤的正常工作溫度范圍為0℃～60℃，根據(jù)《GB/T 28046.4道路車輛電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和實(shí)驗(yàn) 第4部分：氣候負(fù)荷》對車載電子工作溫度范圍的規(guī)定，車載電子設(shè)備可以低溫運(yùn)行，要求低溫達(dá)到-20℃～-40℃。如果不針對機(jī)械硬盤工作溫度作額外設(shè)計(jì)，機(jī)械硬盤在低溫環(huán)境中將不能正常工作，包含機(jī)械硬盤的產(chǎn)品將不符合國家道路車輛標(biāo)準(zhǔn)，不能應(yīng)用在車載設(shè)備上。

在車載電子設(shè)備行業(yè)中，許多設(shè)備需要用到硬盤，如車載錄像機(jī)、車載數(shù)據(jù)終端、車載服務(wù)器等都需要大容量的硬盤。但是，相同容量的固態(tài)硬盤的價(jià)格是機(jī)械硬盤價(jià)格的5倍左右，如4TB固態(tài)硬盤單價(jià)在￥4000元左右，而4TB機(jī)械硬盤單價(jià)在￥700元左右，對車載設(shè)備的設(shè)計(jì)選型來說，二者的成本差是不可忽略的，所以目前車載電子行業(yè)的設(shè)備，若用到大容量硬盤，都選擇機(jī)械硬盤。

本文設(shè)計(jì)了一種針對機(jī)械硬盤低溫工作的加熱電路，通過閉環(huán)控制加熱，調(diào)節(jié)機(jī)械硬盤低溫狀態(tài)下的溫度，使得機(jī)械硬盤能夠在-40℃～0℃的環(huán)境中也能正常工作，可以較好地解決上述問題[2]。

2 電路原理分析及電路實(shí)現(xiàn)

2.1 電路原理分析

電路主要包括處理器部分、溫度感知部分、電源開關(guān)部分、加熱部分[3]，其原理框圖如所示。

處理器部分是硬盤加熱電路的控制單元，它獲取溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)一定的算法處理，判定溫度達(dá)到要求的閾值條件時(shí)，開啟電源開關(guān)，電源給加熱膜供電，加熱膜通電后給機(jī)械硬盤加熱。處理器可以是MCU、ARM、DSP等，本文中處理器除了作為加熱電源控制用外，還作為其它多項(xiàng)功能的計(jì)算和控制單元用，因此本產(chǎn)品選用TI的SOC芯片DRA722，只利用其ARM核的GPIO口去控制電源開關(guān)的關(guān)斷。

溫度感知部分，將溫度傳感器安裝在機(jī)械硬盤底部，實(shí)時(shí)檢測硬盤溫度，處理器通過I2C讀取硬盤周邊環(huán)境溫度信息。電源開關(guān)是一個(gè)受控的開關(guān)，用來控制電源給加熱膜供電。加熱部分主要為加熱膜，加熱膜貼在硬盤表面，給其通電后會發(fā)熱，熱量傳遞給機(jī)械硬盤，實(shí)現(xiàn)給機(jī)械硬盤加熱;加熱膜具備熱保護(hù)功能，可防止因通電控制失效導(dǎo)致持續(xù)加熱膜持續(xù)供電加熱溫度過高燒毀甚至起火。

以往硬盤加熱膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，普遍采用發(fā)熱絲或發(fā)熱電阻作為發(fā)熱部件。整個(gè)加熱膜不僅包括發(fā)熱部件，還包括了基材膜、絕緣膜、自恢復(fù)保險(xiǎn)等多個(gè)部件構(gòu)成，加熱膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝復(fù)雜，成本高，自恢復(fù)保險(xiǎn)與發(fā)熱絲的連接有折斷的風(fēng)險(xiǎn)，自恢復(fù)保險(xiǎn)與發(fā)熱絲涂覆在基材膜上有脫落的風(fēng)險(xiǎn)，可靠性差[3]。

本文選用PTC自控溫加熱材料[4] [5]，如圖2所示，PTC材料具有正溫度系數(shù)，其電阻隨溫度升高而升高，當(dāng)溫度升高一定值時(shí)，其電阻值最大，此時(shí)加熱功率很小（供電電源電壓不變），加熱膜給機(jī)械硬盤加熱與機(jī)械硬盤自然散熱達(dá)到熱平衡，機(jī)械硬盤的溫度不再升高。本文采用PTC材料，根據(jù)2.5英寸機(jī)械硬盤定制設(shè)計(jì)成加熱膜，可以防止機(jī)械硬盤被過度加熱，杜絕了因控制異常而導(dǎo)致加熱部分持續(xù)加熱引發(fā)設(shè)備燒毀甚至起火的現(xiàn)象，加熱部分的設(shè)計(jì)簡單可靠，加工制作簡單，成本低。

溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測機(jī)械硬盤底部溫度，處理器讀取溫度信息，并根據(jù)條件做出控制：當(dāng)溫度達(dá)到閾值條件時(shí)，通過GPIO口輸出控制命令，開啟電源給加熱膜供電，加熱膜通電后給機(jī)械硬盤加熱，機(jī)械硬盤溫度上升，當(dāng)機(jī)械硬盤溫度上升到一定值時(shí)，處理器通過溫度傳感器檢測溫度超過閾值，通過GPIO口輸出控制命令，關(guān)斷電源不給加熱膜供電。

2.2 電路實(shí)現(xiàn)

機(jī)械硬盤加熱方案的處理器部分電路主要包括GPIO口、I2C接口電路以及SATA接口電路，如圖3所示。

溫度感知部分電路選用TI的溫度傳感器芯片TMP75AIDR，精度±1℃，通信方式為I2C，電路圖如圖4所示。

如圖5，電源開關(guān)部分采用N溝道MOS管AO3415作為電源開關(guān)器件，處理器DRA722的通用GPIO口（GPIO4_2）與MOS管柵極連接，用來控制MOS的導(dǎo)通。當(dāng)GPIO4_2輸出高電平，MOS管導(dǎo)通，DC12V電源給硬盤加熱膜供電，加熱膜開始給機(jī)械硬盤加熱;GPIO4_2輸出低電平，MOS管不導(dǎo)通，DC12V電源不給硬盤加熱膜供電，加熱膜不給機(jī)械硬盤加熱。

加熱部分選用PTC自控溫材料，按照2.5英寸機(jī)械硬盤減振盒尺寸定制化設(shè)計(jì)，如圖6所示。

3 結(jié)果分析

電路板制作回板后，連接2.5英寸機(jī)械硬盤減振盒，貼上PTC自控溫加熱膜，進(jìn)行低溫運(yùn)行試驗(yàn)。將設(shè)備放置低溫-40℃環(huán)境下試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為24小時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過程中機(jī)械硬盤均能正常讀寫，-40℃冷啟動需要6～10分鐘時(shí)間。另外，對設(shè)備做控制異常實(shí)驗(yàn)，當(dāng)處理器不能控制加熱電源關(guān)斷時(shí)，加熱膜加熱到一定溫度時(shí)，溫度不再上升，具有高溫自保護(hù)功能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該加熱電路能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械硬盤加熱并使機(jī)械硬盤能夠在低溫-40℃環(huán)境下正常工作，且當(dāng)溫度升高后能夠關(guān)斷加熱，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。在-40℃環(huán)境時(shí)，加熱過程需要一定時(shí)間，跟加熱膜材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)以及加熱功率有關(guān)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一種機(jī)械硬盤加熱電路，該加熱電路實(shí)現(xiàn)對機(jī)械硬盤加熱，使機(jī)械硬盤能夠在低溫-40℃環(huán)境下正常工作，且當(dāng)溫度升高后能夠關(guān)斷加熱，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。本文選用PTC自控制溫材料，根據(jù)機(jī)械硬盤的外形尺寸設(shè)計(jì)加熱膜，可以防止機(jī)械硬盤被過度加熱，杜絕了因其它電路（檢測、控制及開關(guān)）異常而導(dǎo)致加熱部分持續(xù)加熱引發(fā)設(shè)備燒毀甚至起火的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 28046.4-2011 道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第4部分：氣候負(fù)荷[S].

[2]潘成久，郭宏飛.電動汽車電池包保溫與加熱的研究[A].2013中國汽車工程學(xué)會年會論文集[C].2013：281-284.

[3]馬鵬.機(jī)械硬盤加熱電路、機(jī)械硬盤加熱裝置和車輛：中國，202080001646.5[P].2021-01-08.

[4]陳華偉，朱顏童.一種自控溫電加熱膜及其制備方法和應(yīng)用：中國，202110107591.2[P].2021-05-07.

[5]馬相銀.電動汽車PTC加熱系統(tǒng)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019， （23）：205-206.