一种机械硬盘加热电路的实现

谭旭良　徐琥

摘 要：本文设计了一种机械硬盘加热电路，可以实现机械硬盘低温正常运行，同时避免被过度加热，杜绝了因其它电路（检测、控制及开关）异常而导致加热部分持续加热引发烧毁设备甚至起火的现象。本文阐述了电路原理及电路实现，电路主要包括处理器部分、温度感知部分、电源开关部分、加热部分。电路从温度感知到加热控制，实现了闭环。加热部分选用PTC自控温加热膜，具有高温自保护性能，加热不会超过设定的最高温度。

关键词：机械硬盘 电源开关 加热膜 温度感知 自控温

1 引言

一般地，常规机械硬盘的正常工作温度范围为0℃～60℃，根据《GB/T 28046.4道路车辆电气及电子设备的环境条件和实验 第4部分：气候负荷》对车载电子工作温度范围的规定，车载电子设备可以低温运行，要求低温达到-20℃～-40℃。如果不针对机械硬盘工作温度作额外设计，机械硬盘在低温环境中将不能正常工作，包含机械硬盘的产品将不符合国家道路车辆标准，不能应用在车载设备上。

在车载电子设备行业中，许多设备需要用到硬盘，如车载录像机、车载数据终端、车载服务器等都需要大容量的硬盘。但是，相同容量的固态硬盘的价格是机械硬盘价格的5倍左右，如4TB固态硬盘单价在￥4000元左右，而4TB机械硬盘单价在￥700元左右，对车载设备的设计选型来说，二者的成本差是不可忽略的，所以目前车载电子行业的设备，若用到大容量硬盘，都选择机械硬盘。

本文设计了一种针对机械硬盘低温工作的加热电路，通过闭环控制加热，调节机械硬盘低温状态下的温度，使得机械硬盘能够在-40℃～0℃的环境中也能正常工作，可以较好地解决上述问题[2]。

2 电路原理分析及电路实现

2.1 电路原理分析

电路主要包括处理器部分、温度感知部分、电源开关部分、加热部分[3]，其原理框图如所示。

处理器部分是硬盘加热电路的控制单元，它获取温度数据，经一定的算法处理，判定温度达到要求的阈值条件时，开启电源开关，电源给加热膜供电，加热膜通电后给机械硬盘加热。处理器可以是MCU、ARM、DSP等，本文中处理器除了作为加热电源控制用外，还作为其它多项功能的计算和控制单元用，因此本产品选用TI的SOC芯片DRA722，只利用其ARM核的GPIO口去控制电源开关的关断。

温度感知部分，将温度传感器安装在机械硬盘底部，实时检测硬盘温度，处理器通过I2C读取硬盘周边环境温度信息。电源开关是一个受控的开关，用来控制电源给加热膜供电。加热部分主要为加热膜，加热膜贴在硬盘表面，给其通电后会发热，热量传递给机械硬盘，实现给机械硬盘加热;加热膜具备热保护功能，可防止因通电控制失效导致持续加热膜持续供电加热温度过高烧毁甚至起火。

以往硬盘加热膜结构复杂，普遍采用发热丝或发热电阻作为发热部件。整个加热膜不仅包括发热部件，还包括了基材膜、绝缘膜、自恢复保险等多个部件构成，加热膜结构复杂，制造工艺复杂，成本高，自恢复保险与发热丝的连接有折断的风险，自恢复保险与发热丝涂覆在基材膜上有脱落的风险，可靠性差[3]。

本文选用PTC自控温加热材料[4] [5]，如图2所示，PTC材料具有正温度系数，其电阻随温度升高而升高，当温度升高一定值时，其电阻值最大，此时加热功率很小（供电电源电压不变），加热膜给机械硬盘加热与机械硬盘自然散热达到热平衡，机械硬盘的温度不再升高。本文采用PTC材料，根据2.5英寸机械硬盘定制设计成加热膜，可以防止机械硬盘被过度加热，杜绝了因控制异常而导致加热部分持续加热引发设备烧毁甚至起火的现象，加热部分的设计简单可靠，加工制作简单，成本低。

温度传感器实时检测机械硬盘底部温度，处理器读取温度信息，并根据条件做出控制：当温度达到阈值条件时，通过GPIO口输出控制命令，开启电源给加热膜供电，加热膜通电后给机械硬盘加热，机械硬盘温度上升，当机械硬盘温度上升到一定值时，处理器通过温度传感器检测温度超过阈值，通过GPIO口输出控制命令，关断电源不给加热膜供电。

2.2 电路实现

机械硬盘加热方案的处理器部分电路主要包括GPIO口、I2C接口電路以及SATA接口电路，如图3所示。

温度感知部分电路选用TI的温度传感器芯片TMP75AIDR，精度±1℃，通信方式为I2C，电路图如图4所示。

如图5，电源开关部分采用N沟道MOS管AO3415作为电源开关器件，处理器DRA722的通用GPIO口（GPIO4_2）与MOS管栅极连接，用来控制MOS的导通。当GPIO4_2输出高电平，MOS管导通，DC12V电源给硬盘加热膜供电，加热膜开始给机械硬盘加热;GPIO4_2输出低电平，MOS管不导通，DC12V电源不给硬盘加热膜供电，加热膜不给机械硬盘加热。

加热部分选用PTC自控温材料，按照2.5英寸机械硬盘减振盒尺寸定制化设计，如图6所示。

3 结果分析

电路板制作回板后，连接2.5英寸机械硬盘减振盒，贴上PTC自控温加热膜，进行低温运行试验。将设备放置低温-40℃环境下试验，试验时间为24小时，结果发现试验过程中机械硬盘均能正常读写，-40℃冷启动需要6～10分钟时间。另外，对设备做控制异常实验，当处理器不能控制加热电源关断时，加热膜加热到一定温度时，温度不再上升，具有高温自保护功能。

实验结果表明，该加热电路能够实现对机械硬盘加热并使机械硬盘能够在低温-40℃环境下正常工作，且当温度升高后能够关断加热，实现闭环控制。在-40℃环境时，加热过程需要一定时间，跟加热膜材料的热传导系数以及加热功率有关。

4 结语

本文设计一种机械硬盘加热电路，该加热电路实现对机械硬盘加热，使机械硬盘能够在低温-40℃环境下正常工作，且当温度升高后能够关断加热，实现闭环控制。本文选用PTC自控制温材料，根据机械硬盘的外形尺寸设计加热膜，可以防止机械硬盘被过度加热，杜绝了因其它电路（检测、控制及开关）异常而导致加热部分持续加热引发设备烧毁甚至起火的现象。

参考文献：

[1]GB/T 28046.4-2011 道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验 第4部分：气候负荷[S].

[2]潘成久，郭宏飞.电动汽车电池包保温与加热的研究[A].2013中国汽车工程学会年会论文集[C].2013：281-284.

[3]马鹏.机械硬盘加热电路、机械硬盘加热装置和车辆：中国，202080001646.5[P].2021-01-08.

[4]陈华伟，朱颜童.一种自控温电加热膜及其制备方法和应用：中国，202110107591.2[P].2021-05-07.

[5]马相银.电动汽车PTC加热系统研究[J].内燃机与配件，2019， （23）：205-206.