CN104006983A - Cpu散热器热阻智能测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CPU散热器热阻智能测试系统及其测试方法，包括输出显示器、输入键盘、单片机、模拟恒功率热源体、数字温度传感器W₁、数字温度传感器W₂和CPU散热器，所述的输出显示器与单片机的输出端连接，所述的输入键盘、数字温度传感器W₁和数字温度传感器W₂分别与单片机的输入端连接，模拟恒功率热源体与单片机的输入输出端连接，所述的数字温度传感器W₁安装在模拟恒功率热源体和CPU散热器之间，数字温度传感器W₂安装在CPU散热器远离模拟恒功率热源体的一侧。本发明能自动测量记录CPU散热器的温度及热阻，能广泛用于CPU散热器及其它散热器的生产检测、产品研发场合。具有测量准确、安全可靠、操作简单等特点。

Description

CPU散热器热阻智能测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种热阻测试系统及方法，特别是一种CPU散热器热阻智能测试系统及其测试方法。

背景技术

对热阻的精确测量是设计具有优良散热性能的CPU散热器的前提。所以在计算机CPU散热器的研发及生产中，需要有一个可以快速定量测量其散热能力的设备，对散热器散热效果进行量化和直接比较，以保证所生产产品的可靠性和一致性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种CPU散热器热阻智能测试系统及其测试方法，该系统能模拟CPU产生一个恒定发热功率的热源体，自动测量记录CPU散热器的温度及热阻。

解决上述技术问题的技术方案是：一种CPU散热器热阻智能测试系统，其特征在于：包括输出显示器、输入键盘、单片机、模拟恒功率热源体、数字温度传感器W₁、数字温度传感器W₂和CPU散热器，所述的输出显示器与单片机的输出端连接，所述的输入键盘、数字温度传感器W₁和数字温度传感器W₂分别与单片机的输入端连接，所述的模拟恒功率热源体与单片机的输入输出端连接，所述的数字温度传感器W₁安装在模拟恒功率热源体和CPU散热器之间，所述的数字温度传感器W₂安装在CPU散热器远离模拟恒功率热源体的一侧。

本发明的进一步技术方案是：所述的模拟恒功率热源体包括晶体三极管、电压数据采集电路、电流数据采集电路和恒功率电流输出电路，所述的电压数据采集电路和电流数据采集电路分别与单片机的输入端连接，所述的电压数据采集电路用于采集晶体三极管两端的电压并将采集的电压数据输入至单片机，所述的电流数据采集电路用于采集晶体三极管的电流并将采集的电流数据输入单片机，所述的恒功率电流输出电路与单片机的输出端连接，该恒功率电流输出电路将单片机处理后的恒功率电流输送至晶体三极管。

所述的电压数据采集电路包括A/D转换器及其电路，所述的电流数据采集电路包括电流取样电阻、A/D转换器及其电路，所述的恒功率电流输出电路包括放大驱动器、D/A转换器及其电路。

在所述的CPU散热器远离模拟恒功率热源体一侧安装有电风扇，所述的数字温度传感器W₂安装在电风扇的进气口上。

本发明的又进一步技术方案是：一种CPU散热器热阻智能测试系统的测试方法，在CPU散热器一侧安装模拟恒功率热源体，将数字温度传感器W₁安装在该热源体与CPU散热器之间，测量热源温度T₂，将数字温度传感器W₂安装在CPU散热器远离该热源体的一侧，测量环境温度T₁，所述的数字温度传感器W₁和数字温度传感器W₂测得的温度数据分别送入单片机的输入接口，经单片机依据热阻公式θ=(T₂-T₁)/P运算后通过输出显示器实时显示当前热阻值，待CPU散热器达到热平衡，输入功率和温度显示稳定后，所显示的热阻值即为CPU散热器的实际热阻值，其中，所述的θ为热阻值，所述的P为模拟恒功率热源体的功率。

所述的模拟恒功率热源体的具体实现方法为：利用晶体三极管作为可控功率模拟热源，在晶体三极管的D、S端进行工作电压取样，所得的取样数据经电压数据采集电路送入单片机输入接口，又对晶体三极管的S极上安装的电流取样电阻两端作电流在该电阻上所产生的压降进行取样，所得的取样数据经电流数据采集电路送入单片机输入接口，单片机将所采集的晶体三极管的工作电压和电流值进行实时运算，并与输入键盘输入的设定值比较后将电流修正值通过恒功率电流输出电路实施对恒功率工作电流控制，使热源体功率逐渐逼近设定值，同时修正由热效应造成的工作点漂移、稳定功率，得到模拟恒功率热源体。

所述的电压数据采集电路包括A/D转换器及其电路，所述的电流数据采集电路包括电流取样电阻、A/D转换器及其电路，所述的恒功率电流输出电路包括放大驱动器、D/A转换器及其电路。

由于采用上述技术方案，本发明之CPU散热器热阻智能测试系统及其测试方法具有以下有益效果：

本发明依据热传导原理，利用高精度数字温度传感器和单片机，设计了用于测量CPU散热器散热性能的专用系统，该系统能模拟CPU产生一个恒定发热功率的热源体，自动测量记录CPU散热器的温度及热阻，能广泛用于CPU散热器及其它散热器的生产检测、产品研发场合。本发明具有测量准确、安全可靠、操作简单等特点。

下面，结合说明书附图和具体实施例对本发明之CPU散热器热阻智能测试系统及其测试方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：为CPU散热器热阻智能测试系统框图。

图2：为模拟恒功率热源体框图，

图2中，Q₁为90N20晶体三极管，R为电流取样电阻。

图3：为CPU散热器热阻测试示意图，

图3中，1为模拟恒功率热源体，W₁为数字温度传感器，2为CPU散热器，3为电风扇，W₂为数字温度传感器，箭头方向为风向。

图4：为恒功率控制电路图，

图4中，U₂、U₃为ICL7135是14位A/D转换，负责对热源功率的工作电压和电流的数据采集；U₄、U₅、U₇为MC1403高精度电压供电给A/D芯片提供精准电源；U₆为TLC5615用作10位D/A转换，控制电流；U₈为运算放大器OP27用于热源的驱动；U₉是CD4024B七级分频器，为A/D芯片提供采样频率；Q₁为90N20晶体三极管作可控功率模拟热源。

图5：为温度检测及热阻测量电路图，

图5中，W₁、W₂ 为高精度数字温度传感器DS18B20，分别用于热源和环璄温度的数据采集；U₁为主控单片机AT89S52，主要负责数据的收集和处理、运算结果的显示和功能的控制；U₁₂为外存储器24C02，存储所设置的工作模式和参数。

具体实施方式

1.测量和计算的理论依据：

热阻是评价物体散热性能的重要参数，根据热传导理论，在一维稳态、无内热源情况下，热阻θ就是热流量通过物体时，在物体两端形成的温度差。

即：                                                         --------（1）       单位是：℃/W。

式中T₁是导热系统端点的温度；T₂是热源温度；Ｐ是热源体的功率。

据公式（1）,只要测得热源温度和传热导体某端点的温度以及所施加的热源功率，无需考虑它的几何形状与材料成分构成，就可得到热源至这该端点的热阻值。

又物体对热流传导的阻碍能力，与传导路径长度成正比，与通过的截面积成反比，与材料的导热系数成反比，热阻还可以用下式表达。

    ---------（2）

式中λ为材料导热系数； L为材料厚度；S为传热截面积。

该公式（2）是根据材料特征来计算热阻，利用公式（2）可以不用做实际的测量实验，利用材料的导热系数和几何形状就可以计算出热阻。

2.CPU散热器热阻测试系统及其测试方法：

2.1.系统的组成：

一种CPU散热器热阻智能测试系统，参见图1、图2，包括输出显示器、输入键盘、单片机、模拟恒功率热源体、数字温度传感器W₁、数字温度传感器W₂和CPU散热器，所述的输出显示器与单片机的输出端连接，所述的输入键盘、数字温度传感器W₁和数字温度传感器W₂分别与单片机的输入端连接，所述的模拟恒功率热源体与单片机的输入输出端连接，所述的数字温度传感器W₁安装在模拟恒功率热源体和CPU散热器之间，在所述的CPU散热器远离模拟恒功率热源体一侧安装有电风扇，所述的数字温度传感器W₂安装在电风扇的进气口上。所述的模拟恒功率热源体包括晶体三极管、电压数据采集电路、电流数据采集电路和恒功率电流输出电路，所述的电压数据采集电路和电流数据采集电路分别与单片机的输入端连接，所述的电压数据采集电路用于采集晶体三极管两端的电压并将采集的电压数据输入至单片机，所述的电流数据采集电路用于采集晶体三极管的电流并将采集的电流数据输入单片机，所述的恒功率电流输出电路与单片机的输出端连接，该恒功率电流输出电路将单片机处理后的恒功率电流输送至晶体三极管。所述的电压数据采集电路包括A/D转换器及其电路，所述的电流数据采集电路包括电流取样电阻、A/D转换器及其电路，所述的恒功率电流输出电路包括放大驱动器、D/A转换器及其电路。

由于CPU散热器的形状、结构较复杂，因此不便用上述公式（2）来对CPU散热器的热阻进行精确的计算，其热阻通常是通过实际测量得到。故可根据热阻公式（1）测量热阻。由于CPU散热器种类多，形状各异，表面各点的温度肯定不同，从CPU热源到其各点的热阻也就不相同，因此测试CPU散热器的热阻，实际上是测量它的平均热阻。为了使整个CPU散热器各端点的温度相近，可以在散热器上施加电风扇，使CPU散热器各端点的温度T₁达到环境温度，参见图3。

2.2.测试方法：

参见图5，在CPU散热器一侧安装模拟恒功率热源体，将数字温度传感器W₁安装在该热源体与CPU散热器之间，测量热源温度T₂，将数字温度传感器W₂安装在CPU散热器远离该热源体的一侧，测量环境温度T₁，由于数字温度传感器W₁ 和数字温度传感器W₂的数据输出已作A/D转换，所以数字温度传感器W₁和数字温度传感器W₂测得的温度数据可直接分别送入单片机的输入接口，经单片机依据热阻公式θ=(T₂-T₁)/P运算后通过输出显示器实时显示当前热阻值，待CPU散热器达到热平衡，输入功率和温度显示稳定后，所显示的热阻值即为CPU散热器的实际热阻值，其中，所述的θ为热阻值，所述的P为模拟恒功率热源体的功率。

所述的模拟恒功率热源体的具体实现方法为：参见图4，利用晶体三极管作为可控功率模拟热源，在晶体三极管的D、S端进行工作电压取样，所得的取样数据经电压数据采集电路作14位A/D转换后送入单片机输入接口，又对晶体三极管的S极上安装的电流取样电阻两端作电流在该电阻上所产生的压降进行取样，所得的取样数据经电流数据采集电路作14位A/D转换后送入单片机输入接口，单片机将所采集的晶体三极管的工作电压和电流值进行实时运算，并与输入键盘输入的设定值比较后将电流修正值通过恒功率电流输出电路作10位D/A转换后实施对恒功率工作电流控制，使热源体功率逐渐逼近设定值，同时修正由热效应造成的工作点漂移、稳定功率，得到模拟的恒功率电流热源体。

3.系统测试及分析：

CPU散热器热阻测试仪的主要技术参数如表1所示。为方便测试比较和提高检测效率，设置两个相同的CPU散热器热阻测试平台，可同时显示两个CPU散热器的热阻值。

表1   CPU散热器热阻测量仪技术参数

设定功率分辩率	0.5W
		测量精度	±0.1W
误差	0W~180W满功率为±0.5W
		热阻测量分辩率	±0.001
热阻测量精度	±0.01
		工作电压	AC：170V～245V
工作电流	MAX ≤3.1A
		制热功率（单头工作）	MAX≤180W
工作温度	0℃～55℃
		保护温度	70℃

3.1.系统测试：

将2只“正旭”闪动之星CPU散热器分别安装在左测试座和右测试座作五次上机测试，设定仪器功率分辨率为0.1W，热阻测量分辨率为0.001，开机三分钟待热平衡后，测得数据如表2所示。

表2     不同环境温度下实验测试数据表

又将10只“正旭”闪动之星CPU散热器分成两组分别测试（左测试座和右测试座各5只），测得数据如表3所示

表3 小批次实验测试数据表

3.2．测量结果分析：

（1）从表2测试结果可见，所测同一CPU散热器在不同的环境温度影响下，其热阻数值变化不大，其绝对误差约为0.002℃/W。

（2）从表3测试结果可见，同一品牌CPU散热器个体热阻值的差异，可以通过该仪器测试出来。

综上所述，由于各类CPU散热器在热传导的过程中受环境、制作工艺、材料、形状和安装时与热源的接触热阻等因素影响，该系统所测出之热阻并非是绝对唯一的，但在相同条件下用于对CPU散热器的导热性能进行定量及定性比较其相对热阻值而言具有实际应用价值。如在设计CPU散热器时为了能在规定的导热材料和散热空间内达到最佳散热效果，可先制作出一批不同形状的样品分别安装上机测试其热阻，通过对CPU散热器的散热效果进行量化和直接比较，确定最佳设计方案。该仪器还可在CPU散热器的定型产品的生产和检验过程中使用，以保证所生产产品的可靠性和一致性。另更换该系统CPU散热器夹具也可用于测试诸如LED灯具、大功率模块等散热器的热阻。

Claims (7)

1.一种CPU散热器热阻智能测试系统，其特征在于：包括输出显示器、输入键盘、单片机、模拟恒功率热源体、数字温度传感器W₁、数字温度传感器W₂和CPU散热器，所述的输出显示器与单片机的输出端连接，所述的输入键盘、数字温度传感器W₁和数字温度传感器W₂分别与单片机的输入端连接，所述的模拟恒功率热源体与单片机的输入输出端连接，所述的数字温度传感器W₁安装在模拟恒功率热源体和CPU散热器之间，所述的数字温度传感器W₂安装在CPU散热器远离模拟恒功率热源体的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种CPU散热器热阻智能测试系统，其特征在于：所述的模拟恒功率热源体包括晶体三极管、电压数据采集电路、电流数据采集电路和恒功率电流输出电路，所述的电压数据采集电路和电流数据采集电路分别与单片机的输入端连接，所述的电压数据采集电路用于采集晶体三极管两端的电压并将采集的电压数据输入至单片机，所述的电流数据采集电路用于采集晶体三极管的电流并将采集的电流数据输入单片机，所述的恒功率电流输出电路与单片机的输出端连接，该恒功率电流输出电路将单片机处理后的恒功率电流输送至晶体三极管。

3.根据权利要求2所述的一种CPU散热器热阻智能测试系统，其特征在于：所述的电压数据采集电路包括A/D转换器及其电路，所述的电流数据采集电路包括电流取样电阻、A/D转换器及其电路，所述的恒功率电流输出电路包括放大驱动器、D/A转换器及其电路。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种CPU散热器热阻智能测试系统，其特征在于：在所述的CPU散热器远离模拟恒功率热源体一侧安装有电风扇，所述的数字温度传感器W₂安装在电风扇的进气口上。

5.一种CPU散热器热阻智能测试系统的测试方法，其特征在于：在CPU散热器一侧安装模拟恒功率热源体，将数字温度传感器W₁安装在该热源体与CPU散热器之间，测量热源温度T₂，将数字温度传感器W₂安装在CPU散热器远离该热源体的一侧，测量环境温度T₁，所述的数字温度传感器W₁和数字温度传感器W₂测得的温度数据分别送入单片机的输入接口，经单片机依据热阻公式θ=(T₂-T₁)/P运算后通过输出显示器实时显示当前热阻值，待CPU散热器达到热平衡，输入功率和温度显示稳定后，所显示的热阻值即为CPU散热器的实际热阻值，其中，所述的θ为热阻值，所述的P为模拟恒功率热源体的功率。

6.根据权利要求5所述的一种CPU散热器热阻智能测试系统的测试方法，其特征在于：所述的模拟恒功率热源体的具体实现方法为：利用晶体三极管作为可控功率模拟热源，在晶体三极管的D、S端进行工作电压取样，所得的取样数据经电压数据采集电路送入单片机输入接口，又对晶体三极管的S极上安装的电流取样电阻两端作电流在该电阻上所产生的压降进行取样，所得的取样数据经电流数据采集电路送入单片机输入接口，单片机将所采集的晶体三极管的工作电压和电流值进行实时运算，并与输入键盘输入的设定值比较后将电流修正值通过恒功率电流输出电路实施对恒功率工作电流控制，使热源体功率逐渐逼近设定值，同时修正由热效应造成的工作点漂移、稳定功率，得到模拟恒功率热源体。

7.根据权利要求6所述的一种CPU散热器热阻智能测试系统的测试方法，其特征在于：所述的电压数据采集电路包括A/D转换器及其电路，所述的电流数据采集电路包括电流取样电阻、A/D转换器及其电路，所述的恒功率电流输出电路包括放大驱动器、D/A转换器及其电路。