手机壳式暖手宝的设计

2021-11-24沈周锋郑慧珍

绵阳师范学院学报 2021年11期

沈周锋，郑慧珍

(漳州职业技术学院电子工程学院，福建漳州 363000)

0 引言

用户在冬季使用手机时，手指裸露在寒冷空气中，给用户带来不舒适的使用体验.张卓钧和冯志彬提出了基于加热片的暖手宝技术[1-2],实现暖手宝智能化.但是热量传导无方向性，应用于手机壳中，极大影响手机原有散热系统，使手机工作温度升高.手机长时间在过热环境中运行，系统效率降低，严重时甚至导致死机.

制冷片是由半导体组成的一种冷却装置，既可以应用于制冷，又能应用于加热.其特点是制冷效率不高，但是制热效率突出，非常适用于手机壳式暖手宝[3-5].制冷片工作时，等同于热泵，将手机的耗散热量抽取至加热部分，加快手机散热的同时，手机热量和制冷片自身耗散的热量集中至加热体，大大提高了电源应用效率和电池续航.葛文超提出了一种制冷片驱动电路[6]，采用恒压方式驱动电路，制冷功率不可调导致温度不稳定.本文基于手机暖手宝技术现状，设计了一个具有对手机制冷、对外加热的手机壳式暖手宝，保障手机正常工作.利用锂电池供电，恒流源电路驱动制冷片工作在多种功率.采用特殊的散热片，传导制冷片热量的同时，作为加热片进一步提高暖手效果.采用电源管理电路，防止锂电池的过充电和过放电，提高电池使用寿命.

1 基本原理

手机壳式暖手宝外形与手机套类似，吸附于手机背面.用户使用手机时，多数手指置于手机背面，对手机背面加热将极大改善用户手指寒冷僵硬的现象.其结构示意图如图1所示.制冷片工作时，等价于热泵，将热量从A面抽至B面.A面吸热，则称为冷面，B面散热，则称为热面.其优点在于不需要制冷剂，可连续工作，内部无污染源且无旋转部件，制冷制热速度快，非常适合应用于小型设备中.将制冷片安装于暖手宝正中央，冷面朝左对着手机，热面朝右.由于冷面和热面需要快速导热，避免热量堆积损坏制冷片，因此制冷片双面均需安装散热片.如图1所示，制冷片左边安装冷面导热片，快速将手机背面的热量传导至制冷片.冷面导热片左边安装薄膜热敏电阻1，用于测量手机背面温度，防止手机温度过高.制冷片热面(右边)安装加热片，该加热片设计成特殊形状，起到双重作用.作用一是为制冷片热面散热，作用二是通入电流，为暖手宝进一步加热.加热片右边安装薄膜热敏电阻2，用于测量热面温度.锂电池和线路板置于暖手宝外壳之内，且置于热面一侧.为整机提供电源和智能控制的同时，其耗散热量用于暖手宝加热.为了实现加热片、冷面导热片与制冷片充分导热，其接触部分均匀涂抹导热硅脂.制冷片四周采用隔热材料填充，避免热面的热量扩散到冷面中，破坏暖手宝的“对内制冷、对外加热”的效果.

图1 结构示意图

加热片示意图如图2所示，采用冲模的加工方法，将长方形金属片，压制成如下形状.整个加热片均匀涂抹导热硅脂，保证整个矩形区域导热均匀.中央矩形金属块与制冷片热面接触，制冷片工作时起到散热的作用.引脚1和2作为电阻连接加热片驱动电路，通入电流时产生热量.由于加热片中的线路采用“之”字形走线，线与线之间的磁场互相抵消，电感量几乎为0，表现为纯电阻性.通过控制走线宽度和金属片厚度，可以将电阻控制在一定的值.由于导热硅脂均匀涂抹在加热片表面，热量能均匀的分布在整个加热片区域中.

图2 加热片示意图

电路原理框图如图3所示.整机采用锂电池供电，采用电源管理芯片IP5306对其进行充放电管理和剩余电量显示.冷面和热面测温电路，分别检测手机工作温度和暖手宝温度，并将温度信号输送给单片机.单片机根据冷面和热面温度进行逻辑判断，控制制冷片驱动电路和加热电路的功率，实现暖手宝功能.

2 硬件电路设计

2.1 电池管理和电量显示电路

暖手宝采用4.3 V锂电池供电，过充电和过放电对电池的危害巨大[7].因此，采用IP5306芯片，进行锂电池充放电管理、剩余电量指示和电压转换.具体电路图如图4所示.

图3 电路原理框图Fig.3 CircuitBlockDiagram图4 电池管理和电量显示电路Fig.4 BatteryManagementandPowerDisplayCircuit

J1为充电接口，R1、C1和C2对正极进行滤波后，送入U1的VIN引脚.该引脚兼容DC 5 V充电，最大充电电流达到2.1 A.J1采用MINI USB或者TYPE C接口，即可兼容市面上大部分的10 W手机充电器.D1至D4连接芯片的LED1至LED3引脚，用于显示锂电池剩余电量.当剩余电量大于75%时，4个灯全亮；当剩余电量小于75%且大于50%时，D1至D3亮，D4灭，依次类推.K1通过限流电阻R2连接KEY引脚，作为电源开关.关机状态下按键短按开启电源输出和LED显示灯.开机状态下双击按键，则关闭电源输出和LED显示.BAT引脚为升压输入引脚，连接锂电池BT正极，C6和C7为去耦电容.SW为DC-DC开关引脚，L1为升压电感.L1选用带铁芯的线绕功率电感，保证较高的电磁储能性能.4.3V升压为5V后，通过VOUT引脚输出，为负载电路供电，C3至C5为去耦电容.

2.2 制冷片驱动电路

制冷片选用一冷科技的CP016107，最大制冷量达到6 W，远大于手机工作时的平均热耗散功率，基本满足手机制冷的需求.制冷片冷面温度控制在20 ℃，热面温度控制在40 ℃，基本满足暖手和手机工作温度要求.则冷面热面温度差为20 ℃，根据制冷片性能曲线可知，3 W以下的制冷量时，工作电流小于1.6 A，工作电压小于2 V.特定的温差下制冷量和工作电流呈非线性，与工作电压无直接关系，驱动电路采用TPS5432同步降压芯片设计一个恒流源电路[8-10]，具体电路如图5所示.5 V电源经过C8去耦后，送入VIN引脚，为整个驱动电路提供直流电源.EN引脚为使能端，高电平使能，芯片进入正常工作状态.低电平时，芯片进入休眠状态，工作电流降到5 uA以下.该引脚连接单片机，可以控制制冷片开启和关闭状态.PH为BUCK的开关引脚，经过L2连接制冷片整机.PH内部的上拉场管导通时，电流流经L2为制冷片供电.当上拉场管截止时，L2感应电流继续供电.因此L2宜选用储能性能较好的线绕功率电感，普通信号电感储能性能差易烧毁.制冷片负极通过R7接地，R7将制冷片电流转换为电压，经过R6和R9分压后，反馈到VSEN引脚中.芯片内部电路对比VSEN电压，当电压高于0.808 V时，降低PH引脚占空比，从而降低制冷片工作电流；反之，则增加占空比，增加制冷片工作电流.从而将制冷片工作电流稳定在一定的值，且VSEN引脚电位稳定在0.808 V.R8和C13组成阻容低通滤波电路，将单片机发出的PWM1信号滤波为直流电压.直流电压值与占空比呈正比，通过R5限流后送入VSEN引脚.当PWM1占空比增大时，流过R5电流增加，芯片控制制冷片电流减小，使R6电流减小.因此，单片机控制PWM1占空比即可改变制冷片工作电流.

图5 制冷片驱动电路

当PWM1占空比等于0%，由于R5>>R8，则U1=0V，根据基尔霍夫电流定律，流过R6的电流为：

I6≈VSEN/R9+VSEN/R5≈196(μA)

(1)

从而推出U2电压为：

U2=VSEN+R6I6=1(V)

(2)

由于R6>>R7，流过制冷片或者R7电流近似为：

I0≈U2/R7≈2(A)

(3)

同理得，当PWM1占空比等于100%时，流过制冷片电流约为1 A.电热片驱动电路采用与图5类似的电路即可实现功率可调，不再赘述.

2.3 冷面和热面测温电路

测温电路如图6所示，采用热敏电阻与定值电阻串联，对5 V电源进行分压，送入单片机AD转换通道.当温度发生变化时，热敏电阻阻值随之变化，分压比发生变化导致AD1和AD2电位发生变化.单片机内部存储热敏电阻在各温度下的阻值，通过查表即可得到实际的温度值.电容C14至C17采用纳法级别的小电容，用于稳定AD1和AD2的电压值.普通的热敏电阻为圆柱状或球形，暖手宝内部空间均为扁平状.因此采用薄膜热敏电阻，厚度约为0.25 mm，传感头处厚度最大为0.4 mm，阻值精度为±1%，0～50 ℃环境下测温误差小于±0.5 ℃[11-12].涂抹了导热硅脂后，非常适用于暖手宝中.

图6 冷面和热面测温电路

3 软件部分设计

软件流程图如图7所示.电源管理电路按键按下时，5 V电压供给单片机.单片机首先进行内部单元初始化，主要配置AD转换单元、定时器、PWM输出和各引脚寄存器.随后程序进入死循环.检测制冷片冷面温度T1和热面温度T2.当温度T1大于23 ℃或者双面温差大于10 ℃时，打开制冷片为手机降温；当温度T2小于17 ℃且双面温差小于10 ℃时，关闭制冷片.双面温差大时，若制冷片停止工作，热面热量会扩散到冷面，导致冷面温度上升，不利于手机正常工作.此时，控制制冷片工作在小功率状态，即可阻止热量传导.当温度T2大于43 ℃时，关闭加热片；当温度T2小于37 ℃时，打开加热片.基于上述逻辑，将手机温度控制在(20±5)℃，将暖手宝温度控制在(40±5)℃.若采用恒功率制冷和加热，会导致温度波动较大，造成用户忽冷忽热的不舒适感.因此，需要根据温度的不同调整制冷片和加热片功率，实现类似“变频空调”的效果.当T1温度大于20 ℃且差值越大，单片机加大制冷片工作电流，达到越快速降温的效果；当温度趋近20 ℃时，逐渐减小制冷片工作电流.当T2温度小于40 ℃且差值越大，单片机越加大加热片工作电流，实现快速制热的效果；当温度趋近40 ℃时，逐渐减小加热片工作电流.

图7 软件流程图

4 整机测试

对整机进行测试.充电和正常工作时，剩余电量指示灯能够正常提示电量.锂电池管理电路能够正常控制整机的打开和关闭.在18 ℃的室温下，对暖手宝制冷和制热温度进行测试，每30 S记录一个数据到单片机断电保护存储器中.将数据读出，绘制成曲线，如图8所示.横轴表示采样点序号，纵轴表示温度，单位为℃.开机时，起始温度均为18 ℃，加热片开启，热面温度上升较快，冷面温度由于热面温度的影响而缓慢上升.到第9个采样点时，冷热面温差达到10 ℃，制冷片开启并保持较低功耗，冷面温度上升速度有所下降.到第17个采样点时，热面温度达到43 ℃，加热片关闭，热面温度随后缓慢下降.到第38个采样点时，冷面温度达到23 ℃，制冷片开启并保持较大功耗，冷面温度下降，热面温度上升.后续曲线按照软件设置的逻辑正常运行，不再赘述.外壳温度曲线基本随着热面温度的变化趋势而变化.由于导热的速度限制，外壳温度的变化呈现出滞后性，且温度变动的幅度相比热面温度有所减小.测试表明：暖手宝能够有效的将手机温度控制在(20±5)℃，热面温度控制在(40±5)℃.既充分利用手机耗散功率实现暖手效果，又保证了手机安全运行.