手機(jī)熱設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)和基站等產(chǎn)品是不同的。在基站熱設(shè)計(jì)中，內(nèi)部器件的溫度是瓶頸，比如器件FPGA的結(jié)溫（內(nèi)核溫度）不能超過(guò)100°C。而手機(jī)熱設(shè)計(jì)的瓶頸并非器件本身。筆者曾做過(guò)實(shí)際測(cè)試和分析，手機(jī)在重度游戲場(chǎng)景（NBA2k16），其最熱的器件CPU的結(jié)溫不過(guò)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(lái)說(shuō)，手機(jī)內(nèi)部器件溫度降低并不是熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。而作為終端產(chǎn)品，手機(jī)的表面溫度用戶非常注重，它才是熱設(shè)計(jì)的瓶頸和重點(diǎn)。
那么，有哪些因素決定了手機(jī)表面溫度呢？
我們先普及幾個(gè)常用概念。
功耗：也就是發(fā)熱量，單位：瓦。比如CPU的功耗為2.6瓦。
加權(quán)平均溫度：想象手機(jī)表面分成若干個(gè)小面積，每個(gè)面積內(nèi)的溫度相同。那么每個(gè)小面積和其溫度的乘積S*t1之和除以總面積。這個(gè)值相當(dāng)于如果整個(gè)物體表面溫度是均勻的那個(gè)溫度值。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括手機(jī)的尺寸、材料、PCB尺寸，層數(shù)，含銅量，主要器件的布局位置。這里的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅是結(jié)構(gòu)件，而是整機(jī)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。
回到原來(lái)的問(wèn)題：哪些因素決定了手機(jī)表面溫度呢？
當(dāng)環(huán)境溫度、風(fēng)速等因素不變的情況下，手機(jī)的表面溫度（各處的溫度）取決于其結(jié)構(gòu)和功耗兩個(gè)因素。如果這兩個(gè)因素定了，那么手機(jī)的表面溫度也是確定的。
確切的說(shuō)，在手機(jī)表面材料已定的情況下，功耗值決定了手機(jī)表面的平均溫度，結(jié)構(gòu)決定了手機(jī)表面溫度的均勻程度。
為了直觀說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們假設(shè)一個(gè)產(chǎn)品，如下圖所示，一個(gè)鋁球殼體中央，有一個(gè)功耗為5W的熱源。
這個(gè)產(chǎn)品，無(wú)論內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如何變化，比如無(wú)論熱源和鋁殼之間是空氣還是導(dǎo)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(shuō)的就是：功耗定了，則其表面加權(quán)平均溫度也就定了。
至于手機(jī)，其功耗的大小，取決于采用了什么平臺(tái)、CPU、GPU是否降頻、軟件是否針對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行了功耗優(yōu)化以及優(yōu)化程度。這對(duì)手機(jī)溫度降低也非常重要。因?yàn)楣膬?yōu)化一般是結(jié)構(gòu)確定之后進(jìn)行的，屬于后期的軟件優(yōu)化，本文暫且按下不表。
為了說(shuō)明后面的內(nèi)容，需要先介紹一下手機(jī)的散熱路徑。
如下圖所示，手機(jī)主要發(fā)熱源是主板PCB（上面的器件），其熱量傳導(dǎo)在內(nèi)部有兩條路徑。
路徑一：PCB到中板，沿著中板水平傳到到手機(jī)末端。中板的熱量再傳到到屏幕上，然后以輻射和對(duì)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(dǎo)，這部分熱量會(huì)通過(guò)后蓋傳到空氣中。
相對(duì)而言，通過(guò)中板傳導(dǎo)的熱量更多些。有人懷疑中板的熱量沒(méi)辦法通過(guò)屏幕傳到空氣中，其實(shí)不然。中板的熱量大部分都是通過(guò)屏幕傳導(dǎo)出去的，雖然兩者之間有間隙，雖然屏幕為玻璃導(dǎo)熱較差。
說(shuō)到這里，是時(shí)候可以更正一個(gè)誤解了。
誤解一：“增加內(nèi)部熱源和手機(jī)外殼隔熱，可以降低表面溫度”。
從圖二的結(jié)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(huì)變化，依然是40°C，而內(nèi)部熱源溫度會(huì)增加（在這個(gè)假設(shè)的場(chǎng)景中，熱源溫度由80°C增加至200°C）。這個(gè)結(jié)論也可以用熱阻、溫差的公式得出。
所以說(shuō)，試圖用增加隔熱讓手機(jī)表面平均溫度下降是行不通的。注意，這里說(shuō)的是“平均溫度”，而不是某一點(diǎn)的溫度。在實(shí)際的手機(jī)上，各點(diǎn)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(diǎn)的溫度，但同時(shí)也會(huì)升高前面（屏幕側(cè)）的溫度，這就像蹺蹺板，此起彼伏。舉例說(shuō)明，如下圖中，增加PCB和后蓋之間的隔熱（增加熱阻），會(huì)讓后蓋該點(diǎn)的溫度38°C下降，同時(shí)會(huì)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(huì)讓兩點(diǎn)溫度平衡嗎？理論上是的。但有兩點(diǎn)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(duì)使用供應(yīng)商宣傳的“隔熱材料”，倒不如把后蓋和PCB的間距加大，因?yàn)榭諝獾母魺崮芰Ρ雀魺岵牧舷喈?dāng)或更好。但加大間隙，勢(shì)必會(huì)增加手機(jī)厚度，這在寸土寸金的手機(jī)設(shè)計(jì)中基本是無(wú)法接受的。
有人問(wèn)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(jiǎn)單有效的辦法就是增加PCB器件和中板間的導(dǎo)熱膠。這會(huì)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(xì)說(shuō)隔熱這個(gè)誤區(qū)，意思就是說(shuō)，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(jī)表面溫度的決定因素呢？
有的。中板、后蓋的導(dǎo)熱能力也是決定手機(jī)溫度的決定因素。
從手機(jī)傳熱示意圖中可以看出，兩個(gè)傳熱路徑的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)，則手機(jī)表面溫度越均勻。理論上，如果兩個(gè)導(dǎo)熱路徑導(dǎo)熱能力無(wú)限強(qiáng)，手機(jī)表面溫度趨于平均，這是最理想的狀況。此時(shí)，沒(méi)有高山和溝壑，極目遠(yuǎn)眺，一馬平川。
讓手機(jī)表面溫度足夠均勻，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在散熱上的重點(diǎn)。
注意，這里說(shuō)的是“足夠均勻”，而不是“盡量均勻”。這是因?yàn)?，好的熱設(shè)計(jì)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(guò)設(shè)計(jì)是要不得的。
至此，我們知道了，功耗、中板和后蓋的導(dǎo)熱能力是決定手機(jī)溫度的決定因素，前者決定了整機(jī)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(dǎo)熱能力設(shè)計(jì)成多少就是足夠？是否有定量的標(biāo)準(zhǔn)呢？
有的。限于篇幅，暫且按下不表。
標(biāo)簽： 手機(jī) 點(diǎn)擊： 評(píng)論:
