手機體溫充電系統的設計

描述半導體溫差電池熱電轉換性能的主要參數有發(fā)電效率和輸出功率。當負載電阻RL和溫差電池本身的電阻R相匹配時(shí)，負載能夠從半導體溫差電池中獲得最大的輸出功率，材料的優(yōu)值系數Z對于半導體溫差電池的發(fā)電效率和輸出功率都很重要，而Z主要與半導體電偶臂的性質(zhì)有關(guān)，對于材料溫差電特性一定的溫差電偶，優(yōu)值并不是一個(gè)常數，而是與溫差電偶的幾何尺寸有關(guān)。電偶臂的長(cháng)度小于1 mm時(shí)，輸出功率和發(fā)電效率均隨電偶臂長(cháng)度的增加而提高；而當其長(cháng)度超過(guò)5 mm后，輸出功率和發(fā)電效率均趨于定值。用多晶硅形成熱電偶，串聯(lián)組成熱電堆，采用0．8 V低啟動(dòng)電壓的升壓器件，可計算出人體體溫經(jīng)該升壓器件給手機充電需要約809個(gè)熱電偶，將這些熱電偶陣列串聯(lián)組成熱電堆。假設環(huán)境與人體的溫差為9℃，轉化效率為15％，只需要面積約為0．012 721 m2的人體皮膚，即只用到人體皮膚總面積的1／158。為了滿(mǎn)足手機鋰離子電池的充電要求，還需進(jìn)一步提高溫差產(chǎn)生的電壓和電流，可將半導體溫差電池進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)形成溫差電池組，將半導體溫差電池作為電源，其串并聯(lián)的情況與其他電源的串并聯(lián)并無(wú)本質(zhì)區別。
在1片長(cháng)方形絕緣基片上采用熱電堆的生產(chǎn)工藝，將P型半導體和N型半導體材料鍍到基板上，制成1片包含有數百只熱電偶的單元，在其兩端鍍上連接點(diǎn)形成熱電堆(溫差電池)，再將若干個(gè)熱電堆串并聯(lián)組成溫差電池組，兩邊焊好引線(xiàn)接到升壓穩壓電路模塊。
半導體溫差電池組的熱電堆之間留有一定間隙，該間隙是為使配備者舒適而設置的排汗孔道，把溫差電池組縫到特制的馬夾上或帽子里邊，穿戴在身上，讓熱電偶的熱端面緊貼皮膚，冷端面暴露在空氣中，此時(shí)直流電產(chǎn)生模塊就開(kāi)始輸m電壓。
3．2 升壓穩壓模塊
體溫與外界環(huán)境之間的溫差較小，熱電偶產(chǎn)生的電壓也較小，而為手機充電需要4．2 V電壓，如果全部由熱電偶轉換，則需要很多熱電偶。采用升壓器件可解決這個(gè)問(wèn)題。
根據塞貝克效應，直流電產(chǎn)生模塊兩邊的溫差不穩定，輸出電壓也會(huì )不穩定。因為很難將環(huán)境溫度(冷端的溫度)控制在一個(gè)固定值，所以輸出電壓需經(jīng)過(guò)穩壓后才能送入手機。根據手機充電要求，選擇升壓DC／DC轉換器件PT1301實(shí)現升壓穩壓電路，如圖4所示。輸出電壓由兩個(gè)外部電阻設定，即

調整R1、R2的阻值，使輸出電壓U0穩定在4．2 V，輸出電流為160 mA。

4 手機體溫充電系統的工藝
手機體溫充電系統的關(guān)鍵部分是直流電產(chǎn)生模塊，該模塊主要是由809個(gè)半導體熱電偶形成的熱電堆。熱電堆的制造工藝主要涉及材料的切割成形和預處理，以及組件的整體焊接組裝等過(guò)程。根據前面的分析，熱電堆的制造工藝有下列要求：接觸電阻和接觸熱阻應盡可能??；具有較高的可靠性和較強的機械承受力；容易實(shí)現與散熱器和人體表面的良好熱接觸；盡可能低的生產(chǎn)成本。
(1)材料的切割及預處理 目前最常用的溫差電材料Bi2Te3及其合金材料是采用熔體生長(cháng)法制備的。由于這類(lèi)材料具有極易解理和各向異性的特點(diǎn)，在將晶錠切割成設計所需面長(cháng)比的條狀溫差電偶臂時(shí)，必須注意選擇材料的切割方向，使溫差電偶的長(cháng)度方向沿材料的生長(cháng)方向，從而保證溫差電偶處于優(yōu)值最大的方向。對于尺寸較小的溫差電偶臂，采用線(xiàn)切割或電火花切割可在很大程度上減小材料的損傷和切割損耗。然而這種方式切割速率較慢。
Bi2Te3及其合金具有斜方晶體結構，通常難以與常用的幾種錫類(lèi)焊料具有較好的可焊性，因而難于實(shí)現溫差電偶與導流片的直接焊接。常用的解決方法是在溫差電偶臂的端面上掛一層過(guò)渡焊料，通常采用Bi95Sb5，除了盡可能選擇接觸性能較好的焊料外，還需要適當的工藝。焊接前，最好對各焊接表面進(jìn)行化學(xué)清洗(腐蝕法)，焊接時(shí)則需要選擇適當的焊接溫度和時(shí)間，都可以在一定程度上提高熱電堆的接頭導電和導熱特性。
(2)器件的組裝焊接 陶瓷金屬化技術(shù)是目前最常用的熱電堆制造技術(shù)。該技術(shù)采用熱導率較高和電絕緣較好的陶瓷片作為基片，根據熱電堆導流片設計圖，采用篩網(wǎng)印制和高溫燒結的方法在陶瓷片上形成局部金屬化區域，然后在該區域形成銅導流片，之后就可將溫差電偶臂焊接在兩陶瓷片之間構成熱電堆。常用的陶瓷片有氧化鋁(Al2O3)和氧化鈹(BeO)，普通的應用要求多采用氧化鋁材料。