一种基于pcb绕线加热硬盘的方法
阅读说明：本技术 一种基于pcb绕线加热硬盘的方法 (Method for heating hard disk based on PCB winding ) 是由 不公告发明人 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于PCB绕线加热硬盘的方法,根据硬盘的尺寸计算PCB绕线装置所需的绕线线宽、阻抗；在PCB的上表面进行绕线,绕线分为A组绕线组和B组绕线组,将A组电源输出口、B组电源输出口与DC-DC电源转换电路相连,将DC-DC电源转换电路与MCU控制芯片电连接；将PCB绕线装置放置在硬盘一侧,根据环境温度和硬盘的温度差异,通过MCU控制芯片控制A组绕线组、B组绕线组上电以加热硬盘或者断电停止加热硬盘。本发明是为了解决低温下硬盘不能正常工作、现有硬盘加热不均匀、组装繁琐的问题,利用精确计算的PCB绕线来实现对硬盘的加热,无需发热丝和发热元件、容易组装、加热均匀,高温环境工作时有利于硬盘的散热,实用性、扩展性都强。(The invention provides a method for heating a hard disk based on PCB winding, which comprises the steps of calculating the winding line width and impedance required by a PCB winding device according to the size of the hard disk; winding wires are wound on the upper surface of the PCB, the winding wires are divided into a group A winding group and a group B winding group, a group A power supply output port and a group B power supply output port are connected with a DC-DC power supply conversion circuit, and the DC-DC power supply conversion circuit is electrically connected with an MCU control chip; the PCB winding device is placed on one side of the hard disk, and the winding groups of the group A and the winding groups of the group B are controlled to be powered on to heat the hard disk or to be powered off to stop heating the hard disk through the MCU control chip according to the temperature difference between the environment temperature and the hard disk. The invention aims to solve the problems that the hard disk can not work normally at low temperature, the existing hard disk is heated unevenly and assembled fussy, the hard disk is heated by accurately calculated PCB winding, a heating wire and a heating element are not needed, the hard disk is easy to assemble and is heated evenly, the hard disk is beneficial to heat dissipation when working in a high-temperature environment, and the practicability and the expansibility are strong.)
技术领域
本发明涉及基本电气技术领域，具体涉及一种基于PCB绕线加热硬盘的方法。
背景技术
传统机械硬盘的轴承马达内，使用了液态润滑剂，在低温下(例如0℃以下)粘稠度较高，硬盘盘片旋转不畅甚至无法开始旋转。同样由于半凝固的润滑剂，可能会造成盘片微小的振动，从而损坏硬盘。另一种固态硬盘的工作温度一般是0℃～70℃，能工作在0℃以下(例如-20℃或-40℃)的固态硬盘价格贵、货源少。这时就需要使用加热方案使硬盘能正常工作。
市场现有的硬盘温度加热技术采用的是加热膜方式和发热电阻的方式：
(1)采用加热膜方式
使用加热膜方式，需要将其包紧硬盘，组装繁琐，而且在高温环境工作时影响硬盘的散热。
(2)发热电阻的方式
使用发热电阻的方式,因其发热面积远远小于硬盘表面积,受导热介质的影响会产生加热不均匀的现象。
发明内容
本发明是为了解决低温下硬盘不能正常工作、现有硬盘加热不均匀、组装繁琐的问题，利用精确计算的PCB(印刷电路板)绕线来实现对硬盘的加热，无需发热丝和发热元件、容易组装、加热均匀，高温环境工作时有利于硬盘的散热。
本发明提供一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，包括如下步骤：
S1、绕线设计：根据硬盘的尺寸计算位于PCB上的绕线组所需的绕线线宽、阻抗；
S2、绕线：在PCB的上表面进行绕线，绕线组分为A组绕线组和B组绕线组，将A组电源输出口、B组电源输出口与DC-DC电源转换电路相连，将DC-DC电源转换电路与MCU控制芯片电连接；
S3、加热控制：将PCB放置在硬盘下方，根据环境温度和硬盘的工作温度差异，通过MCU控制芯片控制A组绕线组、B组绕线组上电以加热硬盘或者断电停止加热硬盘。
本发明所述的一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，作为优选方式，步骤S3中硬盘加热模式包括以下三种：
加热控制A1：MCU控制芯片向DC-DC电源转换电路发出A组绕线加热信号使A组绕线组上电以加热硬盘；
加热控制A2：MCU控制芯片向DC-DC电源转换电路发出B组绕线加热信号使B组绕线组上电以加热硬盘；
快速加热控制：在环境温度较低时MCU控制芯片向DC-DC电源转换电路发出A组B组绕线共同加热信号使A组绕线组和B组绕线组均上电以加热硬盘。
本发明所述的一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，作为优选方式，步骤S2中，A组绕线组和B组绕线组均采用蛇形紧密布线，B组绕线组包绕在A组绕线组外侧。
本发明所述的一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，作为优选方式，步骤S3中，硬盘的温度由粘贴在PCB背面的数字温度传感器测量并传输至MCU控制芯片，MCU控制芯片使用PID算法实时控制加热模式，同时硬盘的温度通过与MCU控制芯片连接的串口显示屏实时显示，串口显示屏还可显示时间。
本发明所述的一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，作为优选方式，步骤S3中，PCB集成在硬盘的某一区块，或者放置在硬盘的托盘上，或者放置在移动硬盘盒内，或者放置在作为计算机储存部件的硬盘的下部。
本发明所述的一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，作为优选方式，线宽的计算公式为：
I＝KT0.44A0.75，
其中，K为修正系数，A组绕线组取0.024，B组绕线组取0.048；T为最大温升，单位为摄氏度；A为绕线截面积，单位为平方MIL；I为绕线容许最大电流，单位为安培；I与A的比值为15～24安培/平方毫米。
本发明所述的一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，作为优选方式，步骤S1中，阻抗计算公式为：
R＝ρL/S，
其中，R为阻抗，ρ为电阻率，L为示绕线的长度；S为绕线的横截面积。
本发明所述的一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，作为优选方式，ρ为1.75×10-8；L为绕线的长度；S为1oz或者2oz。
本发明所述的一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，作为优选方式，步骤S2中，DC-DC电源转换电路和MCU控制芯片均由系统电源供电，DC-DC电源转换电路、MCU控制芯片、系统电源均设置在PCB上；
绕线组还包括与A组绕线组连接的A组绕线接地端和与B组绕线组连接的B组绕线接地端；
绕线的数量为2组以上。
本发明在PCB上设计两组绕线(A组和B组)。两组绕线一端接地，另一端分别接不同的电源输出。电源的输出由MCU控制芯片控制，可以通过MCU控制芯片单独控制A组开启常规加热模式，也可以同时控制A组和B组开启快速加热模式。加热模式开启后，PCB绕线发热将热量传导给紧紧安装其上的硬盘，实现加热。硬盘的温度由MCU控制芯片通过数字温度传感器实时读取，采用控制精度高的PID算法，响应速度块，加热曲线平稳。当温度达到硬盘正常工作条件时，自动停止加热。
PID即：Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)的缩写。顾名思义，PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法。
本发明具有以下优点：
(1)、PCB绕线式硬盘加热设计解决了组装繁琐的问题，相比于加热膜方式，即便在高温环境工作时也利于硬盘的散热；
(2)、PCB绕线式硬盘加热设计解决了加热不均匀的现象；
(3)、PCB绕线式硬盘加热设计实用性强，可以设计在整个系统的某一区块；也可以安装在硬盘托盘上；还可以做在移动硬盘盒内。
(4)、PCB绕线式硬盘加热设计可扩展性强，可应用于NAS、服务器工作站、工控设备、车船等极端低温环境领域。甚至可以应用在其他需要加热的系统或者模块上。
(5)、通过PCB绕线发热，无需发热元件，不增加系统面积、元件少、成本低。
附图说明
图1为一种基于PCB绕线加热硬盘的方法流程图；
图2为一种基于PCB绕线加热硬盘的方法实施例2-3结构示意图；
图3为一种基于PCB绕线加热硬盘的方法实施例2-3绕线示意图；
图4为一种基于PCB绕线加热硬盘的方法实施例3加热功率与温度时间曲线图。
附图标记：
1、PCB；2、绕线组；21、A组绕线组；22、B组绕线组；23、A组电源输出口；24、B组电源输出口；25、A组绕线接地端；26、B组绕线接地端；3、DC-DC电源转换电路；4、MCU控制芯片；5、数字温度传感器；6、串口显示屏；7、系统电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，包括如下步骤：
S1、绕线设计：根据硬盘的尺寸计算位于PCB1上的绕线组2所需的绕线线宽、阻抗；
S2、绕线：在PCB1的上表面进行绕线，绕线组2分为A组绕线组21和B组绕线组22，将A组电源输出口23、B组电源输出口24与DC-DC电源转换电路3相连，将DC-DC电源转换电路3与MCU控制芯片4电连接；
S3、加热控制：将PCB1放置在硬盘的下方，根据环境温度和硬盘的工作温度差异，通过MCU控制芯片4控制A组绕线组21、B组绕线组22上电以加热硬盘或者断电停止加热硬盘。
实施例2
如图1所示，一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，包括如下步骤：
S1、绕线设计：根据硬盘的尺寸计算位于PCB1上的绕线组2所需的绕线线宽、阻抗；
线宽的计算公式为：
I＝KT0.44A0.75，
其中，K为修正系数，A组绕线组21取0.024，B组绕线组22取0.048；T为最大温升，单位为摄氏度；A为绕线截面积，单位为平方MIL；I为绕线容许最大电流，单位为安培；
绕线容许最大电流，即I与A的比值为15～25安培/平方毫米；
阻抗计算公式为：
R＝ρL/S，
其中，R为阻抗，ρ为电阻率，L为示绕线的长度；S为绕线的横截面积；
ρ为1.75×10-8；L为绕线的长度；S为1oz或者2oz；
S2、绕线：如图2-3所示，在PCB1的上表面进行绕线，绕线组2分为A组绕线组21和B组绕线组22或者2组以上绕线，将A组电源输出口23、B组电源输出口24与DC-DC电源转换电路3相连，将DC-DC电源转换电路3与MCU控制芯片4电连接；
A组绕线组21和B组绕线组22均采用蛇形紧密布线，B组绕线组22包绕在A组绕线组21外侧；
DC-DC电源转换电路3和MCU控制芯片4均由系统电源7供电；DC-DC电源转换电路3、MCU控制芯片4、系统电源7均设置在PCB1上
PCB绕线装置2还包括与A组绕线组21连接的A组绕线接地端25和与B组绕线组22连接的B组绕线接地端26；
S3、加热控制：将PCB1放置在硬盘的下方，根据环境温度和硬盘的工作温度差异，通过MCU控制芯片4控制A组绕线组21、B组绕线组22上电以加热硬盘或者断电停止加热硬盘；
硬盘加热模式包括以下三种：
加热控制A1：MCU控制芯片4向DC-DC电源转换电路3发出A组绕线加热信号使A组绕线组21上电以加热硬盘；
加热控制A2：MCU控制芯片4向DC-DC电源转换电路3发出B组绕线加热信号使B组绕线组22上电以加热硬盘；
快速加热控制：在环境温度较低时MCU控制芯片4向DC-DC电源转换电路3发出A组B组绕线共同加热信号使A组绕线组21和B组绕线组22均上电以加热硬盘；
硬盘的温度由粘贴在绕线组21背面的数字温度传感器5测量并传输至MCU控制芯片4，MCU控制芯片4使用PID算法实时控制加热模式，同时硬盘的温度通过与MCU控制芯片4连接的串口显示屏6实时显示，串口显示屏6还可显示时间；
PCB1集成在硬盘的某一区块，或者放置在硬盘的托盘上，或者放置在移动硬盘盒内，或者放置在作为计算机储存部件的硬盘的下部。
实施例3
如图1所示，一种基于PCB绕线加热硬盘的方法，包括如下步骤：
S1、绕线设计：根据硬盘的尺寸计算位于PCB1上的绕线组2所需的绕线线宽、阻抗；
S2、绕线：在PCB1的上表面进行绕线，绕线组2分为A组绕线组21、B组绕线组22和其他绕线组，将A组电源输出口23、B组电源输出口24与DC-DC电源转换电路3相连，将DC-DC电源转换电路3与MCU控制芯片4电连接；
A组绕线组21和B组绕线组22均采用蛇形紧密布线，B组绕线组22包绕在A组绕线组21外侧；
S3、加热控制：将PCB1放置在硬盘的下方，根据环境温度和硬盘的工作温度差异，通过MCU控制芯片4控制A组绕线组21、B组绕线组22上电以加热硬盘或者断电停止加热硬盘；
如图2、3所示，本发明包括PCB1、布设在PCB1上的绕线组2、DC-DC电源转换电路3、MCU控制芯片4，设置在绕线组2背面中央的数字温度传感器5、与数字温度传感器5电连接的串口显示屏6和系统电源7；绕线组2包括A组绕线21、B组绕线22、A组电源输出口23、B组电源输出口24、A组绕线接地端25和B组绕线接地端26；
系统电源7用于给MCU控制芯片4和DC-DC电源转换电路3供电。它可以由主板产生，也可以由外部电源适配器产生，这基于系统的设计；
MCU控制芯片4通过i2c通讯界面读取数字温度传感器5感应到的实时温度。如果实时温度低于硬盘正常工作的温度，则根据系统设定进行加热控制。MCU发出的加热控制A1信号、加热控制A2信号、快速加热控制信号这3个信号来加热控制。加热控制表如表1-2。表中“√”表示电源有输出，“×”表示电源无输出，“W”表示功率瓦特。例如表1中“电源输出1”这列，“√(3W)”表示“电源输出1”输出3瓦特的功率。加热控制表中“0”和“1”表示MCU控制信号的低和高。表1描述快速加热关闭时，通过MCU控制“加热控制1”和“加热控制2”使“电源输出1”输出3种不同的功率来加热。表2描述快速加热打开时，可以获得成倍加热速度；
表1快速加热关闭
表2快速加热打开
数字温度传感器5为表面粘贴元件，安装在绕线组2的背面正中央，用于读取实时温度，作为MCU智能温度控制的依据参数；
DC-DC电源转换电路3用于提供不同的电压给A、B两组PCB绕线。
串口显示屏6用于显示温度和时间等；
A组绕线21和B组绕线22用于产生热量加热硬盘。绕线的电阻和长度计算公式为R＝ρL/S。ρ表示电阻率，本发明中铜的电阻率为1.75×10-8；L表示绕线的长度；S表示绕线的横截面积，取决于PCB上铜皮厚度和绕线线宽。铜皮厚度一般为1oz或者2oz，1oz等于0.35um；
绕线线宽计算公式为I＝KT0.44A0.75。K为修正系数，一般PCB绕线在内层时取0.024，在外层时取0.048。T为最大温升，单位为摄氏度。A为绕线截面积，单位为平方MIL。I为绕线容许的最大电流，单位为安培。PCB载流能力的计算一直缺乏权威的技术方法、公式。有一个电流密度经验值即I与A的比值，为15～25安培/平方毫米；
本发明依靠公式计算、仿真和实际测试得出。根据硬盘的大小，实际PCB布局走线长度设计为1800mm；表层铜皮厚度1oz加上镀铜后的总厚度为0.0457mm，通过R＝ρL/S计算出来的线宽为0.22mm[8.66mil]、阻抗约为3.13ohm。表3为快速加热控制关闭时，常温下实际测试出来的电源输出1上的电压、电流、功耗对应关系；
表3电压、电流、功耗对应关系
如图4所示，为-20摄氏度时实际测试的加热功率对应的温度时间曲线，从图中可以看到输出功率为8.17W时，从-20摄氏度加热到硬盘能工作的0度需要2.5分钟左右。打开快速加热后此时间可以缩短1倍左右。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。