半导体制冷风扇

低温与超导

第37卷 第3期

制冷技术

Refrigeration

Cryo.&Supercond.

Vol.37 No.3

收稿日期:2009-02-23

基金项目:国家大学生创新性实验计划(

081061107

)。

作者简介:扶新(

1961-

)

,男,工程师,主要从事制冷、空调及测控技术领域的研究。

基于半导体制冷器的CPU散热研究

扶新,高潮,贺俊杰,段沽坪,张超曾

(重庆大学光电工程学院,重庆400030

)

摘要:针对目前计算机日益增多的CPU热故障、常规风冷散热法已接近极限的问题,研究了把半导体制冷器用

于CPU芯片散热的一种实用方法,提出了防止CPU结露的具体措施,并对半导体制冷器的冷量控制进行了设计。

实际运行和调试证明本方案是一种提高CPU散热能力的实用、有效、可行的办法。

关键词:半导体制冷器;CPU;露点传感器

TheresearchonCPUheateliminationbasedonsemiconductorcooler

FuXin,GaoChao,HeJunjie,DuanGuping,ZhangChaozeng

(

TheCollegeofOpto-electronicEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China

)

Abstract:BasedontheincreasingheatfailureofcomputerCPU,theconventionalair-coolingmethodhasbeenclosedto

perpresentedapracticalmethodapplyingsemiconductorcoolertoeliminatetheheatofCPU

chips,thespecificmeasurestoavoidCPUjunctionleakagewereproposed,andthecoldcapacitycontrolofthesemiconductor

erimentalresultsshowthattheproposedmethodispractical,effectiveandviabletoimprovecapacity

oftheCPUheatelimination.

Keywords:Semiconductorcooler,CPU,Dew-pointsensor

1 引言

随着集成电路制造技术及工艺的不断提高,

近年来,微处理器CPU芯片朝着高集成化、高微

型化和高频化方向迅猛发展。但在CPU性能不

断提高的同时也伴随着发热量不断增大,这个现

象引起了业界的广泛关注。有资料显示55%的

电子设备失效原因是其过热引起[1],照这样发展

下去,将严重影响计算机的稳定性、可靠性和使用

寿命,进而阻碍计算机技术的发展进程。

目前普遍采用风冷法对CPU进行散热,它是

在CPU芯片上安装带有轴流风扇的散热器,风扇

旋转强迫空气对流带走热量。这种散热方式具有

结构简单、价格低廉的优势。但散热能力有限,最

多只能排出CPU发热量的60%。随着性能更强

大的CPU不断推出,这种CPU散热方式已经接

近极限能力。为使CPU发挥最佳性能并保证其

可靠性,研究实用高效的CPU芯片冷却方法成为

业内科技工作者十分重要而紧迫的任务。

鉴于以上原因,本文研究了利用半导体制冷

器来提高CPU芯片散热能力的一种实用方法。

2 半导体制冷器

半导体制冷,又称电子制冷、温差电制冷、热

电制冷或珀尔帖制冷等,它是利用塞贝克效应的

逆效应珀尔帖效应达到制冷目的[2]。其工作机

理是热量转移,当接通直流电时,半导体的冷面温

度迅速降低,而热面温度迅速上升,从而利用冷面

的相对低温达到降低温度的目的。其制冷量Q

C

由如下表达式描述[3]:

Q

C

=

α

IT

c

-

1

2

I2R-k

Δ

T

(1)

式中,

α

:热电系数;T

c

:冷面温度;I:工作电

流;R:半导体电阻;k:导热率;△T:冷热面温差。

半导体制冷器用于CPU芯片散热的结构示

意如图1。其优点是:结构简单、体积小、重量轻、

工作环境要求低、无制冷工质、无振动、无污染、启

动快、控制灵活、组装简单、寿命长、可靠性高、便

于维修。缺点是:制冷效率低、容易因冷面温度过

低使CPU结露而导致短路故障。

图1 CPU半导体制冷结构

Fig.1 ThestructureofCPUsemiconductorcooler

3 露点传感器研制

由上可知,利用半导体制冷器对CPU芯片进

行散热,无疑是一种提高CPU芯片散热能力的较

好方法。但是半导体制冷器冷面温度达到露点温

度时,与其紧密接触的CPU芯片将会结露,从而

产生短路危险。这个问题制约了半导体制冷器在

CPU芯片散热方面的推广运用。

为确保空气中所含水分不在CPU芯片表面

凝析出来,我们提出了对半导体制冷器冷面进行

结露监测的思路。一旦发生轻微结露现象,立即

使半导体制冷器停止运行,待温度回升高于露点

温度时再重新恢复运行,避免因CPU芯片结露而

发生的短路危险。

作者研制的露点传感器由红外发光二极管、

红外光电二极管、反射镜、过滤罩、信号处理电路

等组成,原理结构如图2所示。

图2 露点传感器原理示意图

Fig.2 Theschematicdiagramofdew-pointsensor

图中反射红外光的镜面采用不锈钢加工制

成,装配时要求反射镜与半导体制冷器冷面必须

有良好的热接触,它们之间应只有极低的热阻,即

反射镜温度与半导体制冷器冷面温度基本一致。

我们实际是把反射镜安装于冷面传导板上。当反

射镜温度高于空气露点温度时,红外发光二极管

发射的红外光能通过镜面反射到光电二极管接

收。当反射镜温度降到露点温度时,湿空气产生

气液相变的凝结过程,在反射镜面生成露珠,镜面

失去反射能力,光电二极管接收不到红外发光二

极管发射的红外光。过滤罩由不锈钢粉末烧结而

成,具有结构坚固、屏蔽干扰光、过滤效果好的优

点,确保反射镜面不会因灰尘遮盖而发生误报。

露点传感器信号处理电路如图3所示。

图3 露点传感器电路原理图

Fig.3 Thecircuitschematicdiagramofdew-pointsensor

红外发光二极管D1型号为SE303,兼顾使用

寿命、节能及识别可靠性,根据I

D

=(

V-V

D

)

/R,

我们把红外发光二极管工作电流设计为3mA。

红外光电二极管D2型号为PH302,峰值波长在

940nm的红外区域。电压比较器由运算放大器

A1构成,型号为LM358。当反射镜未结露时,电

压比较器的同向输入端电位高于反向输入端电

位,V

O

≈12V;当反射镜结露时,反向输入端电位

高于同向输入端电位,V

O

≈0。

4 冷量自控设计

事实上,采用半导体制冷器构成的CPU芯片

散热系统对于温度控制精度及响应时间的要求并

不太高,看重的是整个系统运行的安全性和可靠

性。因此作者采用比例(

P

)调节方案对半导体制

冷器制冷量进行控制。由P调节器、脉宽调制器

(

pulsewidthmodulatingPWM

)、选通门、驱动器、

半导体制冷器、露点传感器、温度传感器等组成温

度负反馈闭环温控系统,系统的控制框图如图4

所示。

・94・第3期 制冷技术 Refrigeration

图4 冷量自控框图

Fig.4 Thediagramofcoldcontrol

P调节器比例带参数选取为5℃,温度给定值

为32℃。反馈值来自于安装在冷面传导板上的

温度传感器监测的CPU芯片表面温度,该值与给

定值相比较,偏差值送入P调节器。CPU芯片表

面温度t与P调节器输出y有如下函数关系(归

一化)

:

y=

0 (

t≤32℃)

(

t-32

)÷5 (

32℃

1 (

t≥37℃)

(

2

)

为了有利于减小作为驱动器的功率开关管的

热损耗,提高系统可靠性,把P调节器输出转换

为PWM信号,即用时间比例调节(可变占空比的

等幅脉冲)模式控制功率开关管工作。t与PWM

输出P

W

对应曲线如图5。

图5 t-P

w

对应曲线

Fig.5 Thet-P

w

correspondingcurve

选通门由露点传感器控制其通断。当CPU

芯片表面刚开始结露时,露点传感器控制选通门

立即关断,半导体制冷器因失去驱动电流而停止

制冷,CPU芯片表面温度随即回升。当CPU芯片

结露现象消失后,露点传感器控制选通门导通,半

导体制冷器又重新恢复运行,从而有效保证CPU

芯片不会因结露而损坏。

元件选用方面,驱动器的功率开关选用MOS2

FET管,它交替工作在截至和饱和区,热损耗较

小。温度传感器选用负温度系数热敏电阻

(

NTC

)

,具有灵敏度高、尺寸小、价格低的特点。

5 结语

本文研究了把半导体制冷器用于CPU芯片

的散热,提出的在半导体制冷器冷面设置露点传

感器,用以监控CPU结露与否,是一种实用有效

的方法,对确保CPU芯片的安全运行是非常有益

的。研究小组通过样机的实际运行和调试证明了

其可行性。方案除半导体制冷器的固有优点外还

具有如下显著特点:

(

1

)控制简单、成本低;

(

2

)防止CPU芯片结露效果好;

(

3

)功率开关管热损耗小;

(

4

)冷却效果明显。

参考文献

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