当前位置:首页 >> 作者专栏 >>


决定手机表面温度的因素有哪些?

来源: 我锤热评 / 作者: 尹松夺 / 时间: 2017-10-24 23:31
一般来说,手机内部器件温度降低并不是热设计的重点。而作为终端产品,手机的表面温度用户非常注重,它才是热设计的瓶颈和重点。

    手机热设计的着眼点和基站等产品是不同的。在基站热设计中,内部器件的温度是瓶颈,比如器件FPGA的结温(内核温度)不能超过100°C。而手机热设计的瓶颈并非器件本身。笔者曾做过实际测试和分析,手机在重度游戏场景(NBA2k16),其最热的器件CPU的结温不过六十多度,距离CPU的允许最高温度85°C还有二十多度的margin。所以,一般来说,手机内部器件温度降低并不是热设计的重点。而作为终端产品,手机的表面温度用户非常注重,它才是热设计的瓶颈和重点。

 

决定手机表面温度的因素

 

 

那么,有哪些因素决定了手机表面温度呢?

我们先普及几个常用概念。

功耗:也就是发热量,单位:瓦。比如CPU的功耗为2.6瓦。

加权平均温度:想象手机表面分成若干个小面积,每个面积内的温度相同。那么每个小面积和其温度的乘积S*t1之和除以总面积。这个值相当于如果整个物体表面温度是均匀的那个温度值。

 

结构设计:包括手机的尺寸、材料、PCB尺寸,层数,含铜量,主要器件的布局位置。这里的结构设计不仅是结构件,而是整机的架构设计。

回到原来的问题:哪些因素决定了手机表面温度呢?

当环境温度、风速等因素不变的情况下,手机的表面温度(各处的温度)取决于其结构和功耗两个因素。如果这两个因素定了,那么手机的表面温度也是确定的。

确切的说,在手机表面材料已定的情况下,功耗值决定了手机表面的平均温度,结构决定了手机表面温度的均匀程度。

为了直观说明这个问题,我们假设一个产品,如下图所示,一个铝球壳体中央,有一个功耗为5W的热源。

 

这个产品,无论内部的结构如何变化,比如无论热源和铝壳之间是空气还是导热材料,铝壳的表面平均温度都是40°C,所不同的,是热源本身的温度。这说的就是:功耗定了,则其表面加权平均温度也就定了。

至于手机,其功耗的大小,取决于采用了什么平台、CPU、GPU是否降频、软件是否针对该场景进行了功耗优化以及优化程度。这对手机温度降低也非常重要。因为功耗优化一般是结构确定之后进行的,属于后期的软件优化,本文暂且按下不表。

为了说明后面的内容,需要先介绍一下手机的散热路径。

如下图所示,手机主要发热源是主板PCB(上面的器件),其热量传导在内部有两条路径。

路径一:PCB到中板,沿着中板水平传到到手机末端。中板的热量再传到到屏幕上,然后以辐射和对流的方式传到空气中。

路径二:PCB的热量传到后盖上,沿着后盖水平传导,这部分热量会通过后盖传到空气中。

相对而言,通过中板传导的热量更多些。有人怀疑中板的热量没办法通过屏幕传到空气中,其实不然。中板的热量大部分都是通过屏幕传导出去的,虽然两者之间有间隙,虽然屏幕为玻璃导热较差。

 

说到这里,是时候可以更正一个误解了。

误解一:“增加内部热源和手机外壳隔热,可以降低表面温度”。

从图二的结论可以看出,即使把热源和壳体很好的隔热(左图中用空气隔热),外壳的平均温度不会变化,依然是40°C,而内部热源温度会增加(在这个假设的场景中,热源温度由80°C增加至200°C)。这个结论也可以用热阻、温差的公式得出。

所以说,试图用增加隔热让手机表面平均温度下降是行不通的。注意,这里说的是“平均温度”,而不是某一点的温度。在实际的手机上,各点的温度是不同的,在后盖和前面,主板CPU处的温度最高。如果增加PCB和后盖之间的隔热(增加热阻),理论上可以降低该处后盖热点的温度,但同时也会升高前面(屏幕侧)的温度,这就像跷跷板,此起彼伏。举例说明,如下图中,增加PCB和后盖之间的隔热(增加热阻),会让后盖该点的温度38°C下降,同时会让前面的40°C上升。

如果后盖温度比前面高,那么增加隔热会让两点温度平衡吗?理论上是的。但有两点需要知道,一是,增加“隔热”,用所谓的隔热材料并不容易奏效,相对使用供应商宣传的“隔热材料”,倒不如把后盖和PCB的间距加大,因为空气的隔热能力比隔热材料相当或更好。但加大间隙,势必会增加手机厚度,这在寸土寸金的手机设计中基本是无法接受的。

有人问了,如果后盖比前面温度高,咋办呢?也好办。我们不用增加PCB到后盖的隔热(热阻),只减小PCB到中板的热阻即可。最简单有效的办法就是增加PCB器件和中板间的导热胶。这会让更多的热量传向中板,那么更少的热量传向后盖,后盖温度自然降低。也如同跷跷板,此起彼伏。

之所以花这么多笔墨细说隔热这个误区,意思就是说,增加隔热材料并不可行。增加隔热并不是降低降低表面温度的主要因素。

那么,除了功耗,还有哪些决定手机表面温度的决定因素呢?

有的。中板、后盖的导热能力也是决定手机温度的决定因素。

从手机传热示意图中可以看出,两个传热路径的导热能力越强,则手机表面温度越均匀。理论上,如果两个导热路径导热能力无限强,手机表面温度趋于平均,这是最理想的状况。此时,没有高山和沟壑,极目远眺,一马平川。

让手机表面温度足够均匀,是结构设计在散热上的重点。

注意,这里说的是“足够均匀”,而不是“尽量均匀”。这是因为,好的热设计不能是单纯的追求散热而不顾其他,而是要在外观、成本、性能上找到平衡。过设计是要不得的。

至此,我们知道了,功耗、中板和后盖的导热能力是决定手机温度的决定因素,前者决定了整机的平均温度,后两者决定了表面温度均匀程度。

那中板和后盖的导热能力设计成多少就是足够?是否有定量的标准呢?

有的。限于篇幅,暂且按下不表。

 

微信 扫一扫 关注 热设计公众号
pay_weixin


阅读延展


1