手機熱設計的著眼點和基站等產品是不同的。在基站熱設計中，內部器件的溫度是瓶頸，比如器件FPGA的結溫（內核溫度）不能超過100°C。而手機熱設計的瓶頸并非器件本身。筆者曾做過實際測試和分析，手機在重度游戲場景（NBA2k16），其最熱的器件CPU的結溫不過六十多度，距離CPU的允許最高溫度85°C還有二十多度的margin。所以，一般來說，手機內部器件溫度降低并不是熱設計的重點。而作為終端產品，手機的表面溫度用戶非常注重，它才是熱設計的瓶頸和重點。

 

 

 

那么，有哪些因素決定了手機表面溫度呢？

我們先普及幾個常用概念。

功耗：也就是發熱量，單位：瓦。比如CPU的功耗為2.6瓦。

加權平均溫度：想象手機表面分成若干個小面積，每個面積內的溫度相同。那么每個小面積和其溫度的乘積S*t1之和除以總面積。這個值相當于如果整個物體表面溫度是均勻的那個溫度值。

 

結構設計：包括手機的尺寸、材料、PCB尺寸，層數，含銅量，主要器件的布局位置。這里的結構設計不僅是結構件，而是整機的架構設計。

回到原來的問題：哪些因素決定了手機表面溫度呢？

當環境溫度、風速等因素不變的情況下，手機的表面溫度（各處的溫度）取決于其結構和功耗兩個因素。如果這兩個因素定了，那么手機的表面溫度也是確定的。

確切的說，在手機表面材料已定的情況下，功耗值決定了手機表面的平均溫度，結構決定了手機表面溫度的均勻程度。

為了直觀說明這個問題，我們假設一個產品，如下圖所示，一個鋁球殼體中央，有一個功耗為5W的熱源。

 

這個產品，無論內部的結構如何變化，比如無論熱源和鋁殼之間是空氣還是導熱材料，鋁殼的表面平均溫度都是40°C，所不同的，是熱源本身的溫度。這說的就是：功耗定了，則其表面加權平均溫度也就定了。

至于手機，其功耗的大小，取決于采用了什么平臺、CPU、GPU是否降頻、軟件是否針對該場景進行了功耗優化以及優化程度。這對手機溫度降低也非常重要。因為功耗優化一般是結構確定之后進行的，屬于后期的軟件優化，本文暫且按下不表。

為了說明后面的內容，需要先介紹一下手機的散熱路徑。

如下圖所示，手機主要發熱源是主板PCB（上面的器件），其熱量傳導在內部有兩條路徑。

路徑一：PCB到中板，沿著中板水平傳到到手機末端。中板的熱量再傳到到屏幕上，然后以輻射和對流的方式傳到空氣中。

路徑二：PCB的熱量傳到后蓋上，沿著后蓋水平傳導，這部分熱量會通過后蓋傳到空氣中。

相對而言，通過中板傳導的熱量更多些。有人懷疑中板的熱量沒辦法通過屏幕傳到空氣中，其實不然。中板的熱量大部分都是通過屏幕傳導出去的，雖然兩者之間有間隙，雖然屏幕為玻璃導熱較差。

 

說到這里，是時候可以更正一個誤解了。

誤解一：“增加內部熱源和手機外殼隔熱，可以降低表面溫度”。

從圖二的結論可以看出，即使把熱源和殼體很好的隔熱（左圖中用空氣隔熱），外殼的平均溫度不會變化，依然是40°C，而內部熱源溫度會增加（在這個假設的場景中，熱源溫度由80°C增加至200°C）。這個結論也可以用熱阻、溫差的公式得出。

所以說，試圖用增加隔熱讓手機表面平均溫度下降是行不通的。注意，這里說的是“平均溫度”，而不是某一點的溫度。在實際的手機上，各點的溫度是不同的，在后蓋和前面，主板CPU處的溫度最高。如果增加PCB和后蓋之間的隔熱（增加熱阻），理論上可以降低該處后蓋熱點的溫度，但同時也會升高前面（屏幕側）的溫度，這就像蹺蹺板，此起彼伏。舉例說明，如下圖中，增加PCB和后蓋之間的隔熱（增加熱阻），會讓后蓋該點的溫度38°C下降，同時會讓前面的40°C上升。

如果后蓋溫度比前面高，那么增加隔熱會讓兩點溫度平衡嗎？理論上是的。但有兩點需要知道，一是，增加“隔熱”，用所謂的隔熱材料并不容易奏效，相對使用供應商宣傳的“隔熱材料”，倒不如把后蓋和PCB的間距加大，因為空氣的隔熱能力比隔熱材料相當或更好。但加大間隙，勢必會增加手機厚度，這在寸土寸金的手機設計中基本是無法接受的。

有人問了，如果后蓋比前面溫度高，咋辦呢？也好辦。我們不用增加PCB到后蓋的隔熱（熱阻），只減小PCB到中板的熱阻即可。最簡單有效的辦法就是增加PCB器件和中板間的導熱膠。這會讓更多的熱量傳向中板，那么更少的熱量傳向后蓋，后蓋溫度自然降低。也如同蹺蹺板，此起彼伏。

之所以花這么多筆墨細說隔熱這個誤區，意思就是說，增加隔熱材料并不可行。增加隔熱并不是降低降低表面溫度的主要因素。

那么，除了功耗，還有哪些決定手機表面溫度的決定因素呢？

有的。中板、后蓋的導熱能力也是決定手機溫度的決定因素。

從手機傳熱示意圖中可以看出，兩個傳熱路徑的導熱能力越強，則手機表面溫度越均勻。理論上，如果兩個導熱路徑導熱能力無限強，手機表面溫度趨于平均，這是最理想的狀況。此時，沒有高山和溝壑，極目遠眺，一馬平川。

讓手機表面溫度足夠均勻，是結構設計在散熱上的重點。

注意，這里說的是“足夠均勻”，而不是“盡量均勻”。這是因為，好的熱設計不能是單純的追求散熱而不顧其他，而是要在外觀、成本、性能上找到平衡。過設計是要不得的。

至此，我們知道了，功耗、中板和后蓋的導熱能力是決定手機溫度的決定因素，前者決定了整機的平均溫度，后兩者決定了表面溫度均勻程度。

那中板和后蓋的導熱能力設計成多少就是足夠？是否有定量的標準呢？

有的。限于篇幅，暫且按下不表。

 

標簽： 手機 點擊： 評論: