智能移動終端產品熱設計研究

張宏偉　毛建華

摘 要： 為了解決智能移動終端局部過熱的問題，從平面熱布局面積入手，采用熱傳導技術，抓住多模智能移動終端熱源器件布局的關鍵，給出一個考慮散熱的布局最小面積；根據熱流密度來計算結構的整機高度。通過熱仿真來進行布局和結構設計的模擬，給出結構設計的參考意見，最后通過測試去驗證和完善熱設計。經過實際產品的發熱紅外圖譜分布試驗，獲得智能移動產品實際的溫度分布平面圖，得到了與仿真一致的結論。

關鍵詞： 智能終端； 熱仿真； 熱設計； 熱流密度； 熱源器件

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0129?05

Abstract： In order to solve the local overheating problems existing in intelligent mobile terminal， starting from the plane layout area， the heat conduction technology is adopted to catch the key of heat source device layout for multimode intelligent mobile terminal. The minimum layout area， taking account of heat dissipation， was obtained. The height of the complete machine structure was calculated according to heat flux density. The layout and structure design were simulated through thermal simulation technology. A reference comment about structure design is givenb in this paper. The test is performed to verify and improve the thermal design. The heating infrared spectrum distribution test was applied to an actual product. The temperature distribution plan of intelligent mobile products was obtained. A conclusion which was in keeping with simulation was obtained.

Keywords： smart terminal； thermal simulation； thermal design； thermal density； thermal source component

0 引 言

隨著終端產品的逐步普及，以及功能的日益強大，終端產品對通信技術的影響越來越大，尤其是智能終端，以其提供多功能的業務服務，大流量，高速率的上網體驗，多模多制式網絡可切換，與其他設備進行互聯或提供接入的特點，迅速占領終端市場并將在今后幾年成爆發增長態勢。隨著以LTE為代表的4G的通信技術興起及向寬帶，高速數據速率的深度發展，使得終端上述幾個特點得以快速實現，尤其是多模多制式的實現是智能終端一個重要特征，4G向3G，3G向2G切換的技術，使得用戶只要購買了該種解決方案的終端，就可以根據當地網絡的特性選擇使用4G或者3G或者2G網絡，無需更換終端。但是這種終端在給客戶使用帶來方便的同時，卻增加了設計的難度，尤其是多功能，多模多制式導致終端的器件較一般終端多，這些器件中基帶處理器，功放，電源器件是主要的發熱器件（以下簡稱熱源器件），而時鐘芯片是熱敏感器件，由于對熱敏感，設計時要遠離熱源器件。終端在進行高速率數據傳輸時，熱源器件發熱量較大，發熱除了與高速率數據傳輸有關外，還與這些熱源器件的工藝及工作頻段、工作制式等都有關，特別是目前帶LTE制式的終端，在高頻段發熱尤為突出。終端在提供強大功能的同時，向著超薄、小型化的方向發展，而這與終端的熱體驗存在著矛盾。如何設計ID并在有限的空間里，合理布放多個熱源器件，實現功能的同時，實現超薄，提升熱體驗，這就有必要在終端中引入熱設計技術，該技術已經成為終端向超薄，小型化必需突破的關鍵技術之一。

根據在終端通信產品的研發經驗及技術積累，終端整機發熱與諸多因素有關，其中包括但不限于整機平均功耗大小與系統各部分功耗分配[2]及分布、電源系統的效率與動態電源管理、關鍵器件的選型及低功耗設計、PCB（Print Circuit Board）熱源的布局與PCB布線的熱設計、結構件基于對流/輻射/傳導方式的熱設計、發射功率控制及射頻不同調制方式的采用、整機散熱措施及散熱材料的選取等。由此可見終端產品的熱設計是一個綜合性考量、評估、設計、驗證的過程，多模終端的研發過程，在此將結合這些年的技術積累，進行多模終端產品熱設計的研究，特別是多模制式牽涉多個制式的功放，但是這些功放在工作時僅僅有一個有功率輸出，即只有一個熱源。緊緊抓住這一特征，總結輸出一套比較全面、系統的工程上的設計方法，其主要研究內容包括：

（1） 結合熱設計理論，給出平面布局的熱布局面積，該面積不但要滿足布局的基本要求，同時所有熱源器件根據量化的數據合理拉開間據[1]，避免熱源重疊，熱量過分集中。

（2） 結構尺寸的熱設計評估，考慮發熱的影響，給出一個滿足表面溫度測試符合標準的密封體最小表面積。然后根據第一步估算的數據，結合計算的熱面積，估算結構件的最小高度。

（3） 熱仿真，根據第二步得到的熱面積，結構件高度進行發熱源器件的布局，標出熱源功耗，位置進行仿真。模擬結構件表面的溫度。

（4） 根據熱仿真結果和在終端產品熱設計上的積累，適當調整結構的長寬高尺寸，為PCB板詳細設計及結構的設計提供依據。

（5） 在不同網絡環境下對設計的產品進行測試，并采用熱成像分析儀進行終端產品熱分布分析，對產品的結構和PCB的布局進行優化改進，減少熱設計評估模型的與實測的誤差，完善終端熱設計。

1 熱設計

1.1 估算平面布局的熱布局面積

為了完成平面熱布局的面積，首先需要進行所有器件（包括冗余設計的器件）的布局面積計算，然后這些面積求和，就得到了所有器件器件的布局面積。根據這個面積確定PCB板最小布局面積（不考慮散熱效果的布局面積簡稱冷布局面積）。有了冷布局的最小布局尺寸以后，接著分析主要發熱器件的熱功耗，這些數據可以通過查閱數據手冊或通過實際測試一些數據來獲得器件的熱功耗數據。考慮到自然冷卻的方式是終端產品上常用的低成本散熱措施[3]，下面針對自然冷卻方式進行熱面積估算。設某芯片的長是L（單位：mm），寬是W（單位：mm），該器件的功耗是Pd（單位：mW）。要達到自然對流冷卻效果，該器件應占用的PCB面積為[S1]（單位：mm2）：

以上計算僅考慮了PCB單面散熱，實際PCB雙面都可以散熱，如果熱源器件背面沒擺放其他器件，那么背面的銅皮也可以起到散熱作用，此時的熱距離將是上面計算所得數據的一半，即： [Y=x2]。下面計算熱源器件所占的PCB面積：

熱源器件背面有器件，所占PCB面積（單位：mm2）：

在PCB布局中，上面的計算數據往往是不可行的，因為PCB的面積有限，如果按上面的數據進行布局的話，PCB的面積就不夠用了，所以需要對上面的數據按一定比例壓縮，可以把上面的熱距離除2作為壓縮后的熱距離，由此計算壓縮熱距離后熱源器件所占的PCB面積如下：

對于通過面散熱的電子設備。常用0.08 W/cm2作為經驗數據來對PCB板進行熱流密度[4]采用自然對流的方式進行散熱[3?4]。近似使用該數據的依據是，熱源器件的上下表面積遠大于其側面積，因而可以忽略側面的自然散熱效果。用熱功耗與上面計算的器件所占的面積（考慮間距）的比值與經驗數據進行比較，如果比值小于經驗數據，說明器件比較熱，需要考慮實際散熱面積，利用熱功耗與經驗數據的比值可以算出該器件所需要的最小散熱面積。記錄該器件的最小散熱面積（熱布局面積）。在進行熱流密度估算的同時，還需要對器件工作的極限環境溫度進行分析，根據器件手冊提供的熱阻參數和結溫等數據，結合熱功耗，完全可以將所有熱源器件及熱敏感器件（比如時鐘晶體等）工作的極限環境溫度全部估算出來，并作出比較，確定哪一個器件工作的最高環境溫度是所有熱源器件或敏感器件工作環境溫度中最低的，那么就需要注意，在整機工作過程中，隨著溫度的上升，最先出現故障的可能就是該器件，在布局時需要特別關注該器件。仿照上述的方法，對每一個發熱器件的散熱面積進行估算，并記錄所有數據。統計考慮散熱后的熱布局面積：將所有發熱器件的熱面積再加上所有上面統計的非發熱器件（發熱相對很小，可以忽略）的散熱面積，就是考慮散熱后的PCB最小布局面積（熱布局面積），這里注意，對于多模終端一般會有多個功放，但是這些功放在工作時僅僅有一個有功率輸出，即只有一個熱源，因此計算散熱面積時，僅僅需要計算散熱面積最大的那個功放作為整個功放的散熱面積數據即可，而其他的功放可以當做這個發熱功放的散熱器。這個是解決多模終端小型化與發熱矛盾的重要觀點和處理手段之一。非發熱器件散熱面積近似考慮就是考慮間距后器件占用的面積。有了冷布局面積和熱布局面積，由于通常情況下熱布局面積大于冷布局面積，有時這兩個數據相差還比較大，此時需要結合用戶需求、生產，研發等來對這個布局進行折中處理，在考慮用戶需求的同時，兼顧散熱，生產，成本因素，修正熱布局面積參數得出一個大小不能小于修正面積后的初始結構外型。一般的終端都有屏蔽罩，因此還需要根據這個初步的結構，結合生產，性能要求，估計屏蔽架所占用的布局面積，屏蔽架的熱布局面積等于冷布局面積。將上面估算的熱布局面積，再加上屏蔽架實際占用的布局面積就是整個PCB所有器件占用的布局面積。

為了便于理解，舉一個例子，表1中為各發熱器件的參數，藍色部分為需要輸入的數據，其他數據為自動計算的結果，該結果給出了熱面積的大小為1 145.52 mm2。

1.2 結構尺寸熱設計評估

前面計算了PCB進行布局時需要的熱面積，有了這個數據就能夠進行平面的布局工作了，但是整機的高度尺寸還沒有確定。這里就涉及到結構尺寸的初步評估，這個評估過程包括結構的熱設計評估。考慮到產品的成本，這里的熱設計是基于自然散熱的這個條件下進行的，無需外部散熱設備輔助散熱。在電子設備熱研究中有個數據，溫升40°時[5]，自然散熱的平均熱流密度為0.039 W/cm2，為便于估算，將終端近似為一個密封的且規則的長方體來進行。如果設這個近似的終端的長寬高分別為L，W，H，見圖1；則表面積為S，有：

利用第1.1節計算的熱面積，長和寬，就可以計算出理論上整機需要的高度。根據熱流密度可以計算一組數據，以整機功耗2.5 W，自然散熱功率密度0.39 W/cm2為例，計算如表2所示。

1.3 布局及布線處理

熱源器件的功耗分析、熱源器件的熱距離布局面積計算以及熱源器件的環境溫度分析都完成后就可以開始PCB的布局。PCB的布局需要遵循最基本的熱設計原則，通過熱點分散達到整版熱均衡。在同一個平面內熱源器件放置時，參照前面估算的熱間距進行布放，拉開一定間距；高熱耗散器件在與基板連接時應盡能減少它們之間的熱阻等，另外還要按照上面計算的壓縮熱間距布放熱源器件，在熱源器件的壓縮熱間距內盡量少布器件，更不能布放發熱器件。對于PCB板的異面，熱源器件的背面禁止布放發熱器件，同時也要盡量少布其他器件，目的是給發熱器件的背面保留一個相對完整的銅皮，便于熱傳導。