一款多功能智能散熱器的結構設計

李杭杭　鄒龍生

摘 要：為了解決智能散熱器應用范圍受到限制的問題，筆者設計了一款多功能智能散熱器，它可運用在智能手機、筆記本電腦等設備上，其目的是同時解決手機以及電腦散熱的問題。散熱器由兩部分組成，核心部件是單片機STC90C516RD，利用單片機做控制元件，控制半導體制冷片進行降溫，將溫度控制在合適的范圍內。元件可拆卸且可以實現一機多用。

關鍵詞：散熱器;單片機;溫度傳感器;智能手機;筆記本電腦

中圖分類號：TM925 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）3-0050-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.012

Structure Design of a Multifunctional Intelligent Radiator

LI Hanghang? ? ZOU Longsheng

（Guilin University Of Aerospace Technology， Guilin? 541004，China）

Abstract： In order to solve the problem that the application scope of intelligent radiator was limited， the author designed a multifunctional intelligent radiator， which could be used in smart phones， laptops and other devices. Its purpose was to solve the problem of heat dissipation of mobile phones and computers at the same time. The radiator consisted of two parts. The core component was the single chip microcomputer STC90C516RD. The single chip microcomputer was used as the control element to control the semiconductor refrigeration chip to cool down and control the temperature within an appropriate range. The components were removable and can be used for multiple purposes.

Keywords： radiator; single-chip computer ; temperature sensor; smart phone; laptop computer

0 引言

隨著社會的發展，智能手機、筆記本電腦已經在社會大眾當中普及，隨之帶來了手機、電腦發熱的困境。在高溫發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。電子器件發熱既會造成產品損耗，多消耗能源，又會造成經濟損失。雖然眾多該設備制造廠商已經注意到發熱問題，并且采取了一些措施，但其自帶的風扇散熱系統仍然不能滿足散熱要求，導致設備運行過程中發熱、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

在諸多電子產品的研究結果中發現，在濕度、溫度、振動、粉塵等諸多影響電子產品可靠性的因素中，溫度對電子信息類產品的影響最為重要。電子產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 總體設計

筆者設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：手機散熱器系統和筆記本電腦散熱器系統。

第一，手機散熱器系統，其組成部分有電源輸入模塊、溫度采集模塊、Organic Light-Emitting Diode（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，會自發啟動冰冷散熱模式，使手機溫度在3 min內下降到65 °C。

第二，筆記本電腦散熱器系統，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WMI實時獲取CPU以及其他硬件動態溫度數據，再結合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，將風扇轉速調高，啟動TEC1-12706半導體制冷片工作，將在1 min內使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，通過DS18B20溫度傳感器和計算機管理系統WMI實時獲取CPU以及其他硬件動態溫度數據，傳輸到單片機STC90C516RD處理核心進行分析計算后，發出各項指令，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、手機的設計計算[1]。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點，對研究對象積分求解。傳熱問題的數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量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程構成[2]，如方程（1）（2）（3）所示。

Flotherm作為CFD軟件的一種[3]，其結構由前處理器、求解器和后處理器構成。數值模擬傳熱學的思路[4]：把空間、時間坐標系下連續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節點;③建立節點相關迭代方程;④設定溫度場的迭代初值;⑤求解相關方程組;⑥根據計算結果進行數值分析。Flotherm工作流程如圖3所示。首先建立電腦和手機的數學模型，并鍵入各模塊相應的物性參數，然后進行劃分及數值計算。這種方法的優點是可以獲得電子器件及電腦部件詳細的溫度分布，且計算結果的精度相對較高。

4.2 電腦散熱系統熱量分析

電腦散熱模組的結構包括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構有導熱銅管、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[2]。

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。Flotherm模型參數設置如表1所示。

其中，CPU、顯卡功率是在筆記本電腦運行測試程序時由試驗測量得出的，數據準確可靠。其他元件功率由試驗測得電流及元件參數計算得出[5-6]。總散熱量及各分項散熱量分別為式（4）（5）（6）。

式中：Q為向室內空氣的對流散熱量，W;Q為向周圍物體的輻射散熱量，W;c為空氣的比熱容，kJ/（kg·°C）;ρα為空氣密度，kg/m;Vf為單位時間內計算機散熱風扇的風量，m/s;t為計算機散熱風扇的排風溫度，°C;t為室內空氣溫度，°C;h為計算機表面的總傳熱系數，W/（m·°C）;A、A分別為計算機的對流換熱面積、輻射換熱面積，m;ε為計算機表面的發射率;σ為黑體輻射常數;X、X分別為計算機與圍護結構表面、周圍固體表面的角系數;t為計算機表面的熱力學溫度，K;t、t分別為圍護結構表面、周圍固體表面的熱力學溫度，K。

4.2.2 主要部件產熱分析計算。假設初始溫度為室溫t=25 ℃，電腦開機1 h后，散熱量趨于穩定，筆記本電腦穩定在28～33 W[6]。進入休息狀態后，電腦的散熱量在30 min內迅速降至0～5 W

4.3 手機散熱系統熱量分析

手機主要產熱模組結構有CPU、主板、散熱硅脂、石墨烯、相機模組、屏幕、電池、揚聲器。密閉的手機空間內部，適用的自然對流冷卻熱流密度的經驗值是0.8 mW/mm，即每平方毫米的面積上的功率是0.8 mW時，可以產生較好的對流冷卻效果。

5 系統電路設計

5.1 電源模塊電路設計

散熱系統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 溫度數據收集模塊電路設計

DS18B20的工作原理：低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號發送給計數器1，高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入，得到的溫度值的位數因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由2 s減為750 ms。

DS18B20數字溫度傳感器的優點非常明顯，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，農業大棚測量溫度，大型糧倉、冰箱空調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型半導體材料串聯成熱電偶，當兩端之間有電流通過時，兩端之間就會產生熱量的轉移，可以使熱量從一端轉移到另一端，從而實現制冷的目的。這是因為內部電荷載體所處的能級不同，會產生吸熱和放熱現象。

6 結語

本散熱器處于設計階段，可選擇多種模式來適應不同的環境，其中采用抽風式散熱，在散熱的同時，可以減少筆記本內部堆積灰塵，同時可以減少高溫對筆記本電腦內部電子元器件的損傷。但是，該智能散熱系統還存在不足，主要體現在以下三個方面：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。

參考文獻：

[1]翁建華，崔曉鈺，郭廣品，等.筆記本電腦散熱模組的實驗與熱計算[J].上海理工大學學報，2010，32（6）：535-538.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].5版.北京：高等教育出版社，2018.

[3]韓俠.基于CFD的筆記本電腦表面散熱性能的研究[D].蘇州：蘇州大學，2020.

[4]孫志忠，袁慰編.數值分析[M].南京：東南大學出版社，2002.

[5]李軍.筆記本電腦散熱系統優化研究[D].南京：東南大學，2015.