5G移動終端不同工作狀態下的溫升研究

曾志群 張垂虎 董三碧 劉泳海 趙 奎 莫賢標

（威凱（深圳）檢測技術有限公司 深圳 518110）

1 5G移動終端及其溫升測試的必要性

5G（5thGeneration Mobile Communication Technology）全稱第五代移動通信技術，是移動通信技術領域最新的技術躍遷，相比之前，5G擁有用戶體驗達1 Gbps的超高速率、低至1 ms的時延、百萬級連接/平方公里的強大連接能力等突出性能，可廣泛用于各個行業領域。2017年，中國工業與信息化部正式確認將中頻段（3 300～3 600）MHz和（4 800～5 000）MHz作為5G的商用頻譜，吹響了搭配5 G技術設備研發和應用的號角，5G設備開始走進各大公司和千家萬戶。而5G移動終端則是搭載5G通信技術的移動終端設備，為5G提供硬件支持，目前最常見的就是我們隨身攜帶的5G智能手機。由于5G高速率、低時延、強連接的工作特點，要求其搭載的終端設備需具備較高的運算處理能力，這也意味著搭配5G的終端設備需要承受更為嚴苛的溫升條件，尤其是對于智能手機這類體積小、可攜帶的移動終端，需要承受的溫升條件就更為嚴苛了。本文的研究對象主要考慮5G智能手機。

5G智能手機在使用過程中長時間發熱導致機體溫度升高，會造成各種各樣的負面影響。一方面會影響手機本身工作性能，溫度較高時會出現閃退、卡頓等現象；一方面還會對人體造成灼傷，也就是我們平時說的“燙手”；一方面會加快電池耗電速率，減少手機續航能力，而且電池在高溫環境下工作還會出現鼓包、斷電，甚至是爆炸的危險，對人體造成傷害。所以，無論是從產品性能還是安全的角度，抑或是出于檢查和認證的需要，對5G智能手機進行溫升測試都是必要的。

2 溫升測試方案

2.1 溫升測試

針對不同的電器產品，在不同的銷售區域，需符合不同組織頒布的不同標準[2]，但是不同標準中的測試方法原理是共通的。對于溫升測試，可以采用的測試方法眾多，目前主流檢測機構所采用的主要是兩種方法，一種是熱電偶法，一種是電阻法，本文中采用前者。熱電偶法以熱電效應為基本原理，用兩種不同材料的金屬導體連接為回路，利用測量端和參比端的溫度差異產生電動勢能，進而形成電流，借助這一關系完成溫度測量[3]。熱電偶法具有較高的測量精度，較廣的測量范圍，且構造簡單，易于使用，可較好完成本文所要求的測試任務。

2.2 EN IEC 62368-1: 2020對溫升的管控要求

為了防止不合格產品流入市場對消費者和使用者造成危害，不同地區的相關組織會發布強制性或自愿性認證標準，EN IEC 62368-1: 2020是在IEC 62368-1-2018第三版的基礎上加上歐盟地區的差異化標準完成的規范性標準，主要針對音視頻類、信息技術類和通訊類電子設備的安全要求。其中對于溫升管控的標準在第4章通用要求（General Requirements）、第5章電造成的危害（Electrically-caused Injury）、第9章熱灼傷（Thermal Burn Injury）中有詳細描述。第4章中規定設備中使用的元器件必須符合相關國家標準、行業標準和相關IEC標準中有關安全的部分，在溫升層面即是設備工作時所使用元器件的溫度必須低于其允許使用的溫度，以免元器件在高溫下出現故障而導致危險。第5章中有對于絕緣材料的溫度要求，包括繞組絕緣、內外部配線絕緣、熱塑性絕緣和元器件絕緣等。第9章則是對防止設備可觸及部件溫度過高對人體造成燙傷。EN IEC 62368-1:2020將人員分為普通人員（Ordinary Person）、受過培訓的人員（Instructed Person）、熟練技術人員（Skilled Person）三種，熱能量源（Thermal Energy Source）分為TS1、TS2、TS3三級，并按照安全工程原理規定在不同等級的能量源和不同人員之間需采取不同的安全防護，見圖1。

圖1 EN IEC 62368-1: 2020中對可觸及零部件溫度限值的分級

除特別規定外，對于一般人員，TS1被認定為是安全的，可以直接接觸，無需安全防護；TS2與一般人員之間則需要增加至少一個基本安全防護，且在一般人員維修期間，如存在需撤除基本安全防護的情況，還應在增加一個指示性安全防護； TS3與一般人員需要增加基本安全防護和附加安全防護。對于受過培訓的人員，由于已受過安全培訓，具備預防性安全防護，所以TS1和TS2都是可觸及的，TS3則需要增加基本安全防護和附加安全防護。對于熟練技術人員，由于具備技能性安全防護，三種能量源都是可觸及的，但在維修期間，任意兩個TS3之間需滿足至少有一個具有安全防護，防止人員因不自主反應觸碰而造成傷害。

2.3 5G智能手機和工作狀態選擇

目前市面上的手機種類繁多，各家品牌有各家品牌的主打功能賣點，但是從安全檢測的角度看，各手機內部構造和電路結構基本上大同小異，都是采用顯示屏幕在前，塑料外殼在后，中間主體是“主板+電池+小板”的架設結構，大多數制造商還會在電池和外殼之間加一層石墨，面積大小差異不大，主要起到均勻散熱的功能。一臺5G手機會搭載眾多功能模塊，比如藍牙模塊、揚聲器模塊、攝像頭模塊、手電筒模塊等等，但是這些模塊只是手機主板外接的附件，本身溫度不高，只是通過工作時的功率大小來影響手機發熱，手機長時間工作狀態下溫度較高的部件一般是主板和電池，這也是我們檢測時必不可少的溫升檢測點。

5G智能手機搭載很多功能模塊，這意味著在正常工作條件下手機有了許多不同的工作狀態。其中發熱條件較為惡劣的工作狀態為持續通話和持續玩大型游戲，同時手電筒處于開啟或關閉狀態以及揚聲器輸出功率大小也會對發熱有影響。由于EN IEC 62368-1: 2020附錄E中對帶有揚聲器的設備在正常工作條件下的檢測條件有明確規定[1]，所以我們只按照標準通過調節音量大小將其輸出功率調為八分之一非削波功率輸出，不做其他考慮。綜上，同時參考中國質量認證中心于2017年5月21日頒布的《TC03關于手機溫度測試指導意見》一文，我們將手機基本設置設為空電池充電、安裝5G電話卡、連網下載數據文件、關閉節能模式、屏幕常亮、顯示最大亮度、音量調為揚聲器八分之一非削波功率輸出、利用軟件開啟手機振動、開啟手機自動定位、打開手機熱點并用其他手機連接熱點下載數據文件，在這些基礎設置之外，我們還選擇了手機在持續通話、持續玩大型游戲、手電筒開啟條件下持續通話、手電筒開啟條件下持續玩大型游戲四種工作狀態，并檢測手機在這四種工作狀態下的溫升情況。

3 5G智能手機溫升測試及數據分析

根據EN IEC 62368-1: 2020對溫升的管控要求，我們在5 G智能手機上選擇了6個溫升檢測點，分別是主板、電池、屏幕、按鍵、塑料內殼、塑料外殼，在充電條件下分別選擇持續通話、持續玩大型游戲、手電筒開啟條件下持續通話、手電筒開啟條件下持續玩大型游戲四種工作狀態進行溫升測試，測試數據如表1所示。

表1 四種狀態下的各管控部件溫度

表1中所選擇的管控部件，PCB和電池是關鍵元器件，按照EN IEC 62368-1: 2020第4章要求必須檢測溫度；按鍵、屏幕、外殼外部都是可觸及部件，按第9章要求檢測其工作溫度；檢測外殼內部是為其他測試項目如應力消除、外殼燃燒預處理提供參考數據，此處不表。由上表可知，在環境溫度為25 ℃時，首先，兩大關鍵元器件溫度都在管控范圍內，其余可觸及部件也都在（43～48）℃范圍中，按熱能量源分級屬于TS1，符合標準要求，設備為合格產品。其次，在四種狀態中，在手電筒開啟條件下持續通話狀態下各管控部件溫度普遍較高，因此可認為在四種工作狀態中，在手電筒開啟條件下持續通話為溫升情況最嚴苛的工作狀態。

4 結語

本文參考EN IEC 62368-1: 2020標準要求，針對5G手機在電池邊充電邊狀態下的四種不同正常工作狀態進行了溫升測試，發現手電筒開啟條件下持續通話狀態是溫升最惡劣的工作狀態。分析得出，相較于其它三種工作狀態，該工作狀態由于用到了5G通信模塊，工作時使用了較多的元器件支持，加上5G手機增加了大量射頻元器件的同時減少了主板體積，造成元器件密度增大，發熱增加，散熱減少，造成了溫升快速上升且最終溫度較高。根據這一情況，在之后的測試中，可以考慮以這一工作狀態來進行溫升測試。

目前市場上對于5G移動終端產品的檢測還屬于初始階段，很多產品的檢測方式還是使用舊的檢測方式，未能較好的考慮新型產品的工作方式對產品檢測可能帶來的影響。本文依照EN IEC 62368-1: 2020的標準要求為參考，著重測試了5G手機在四種不同工作狀態下長時間工作的溫升情況，通過各工作狀態下的溫升情況對比，找出最能符合標準中“向所考慮的零部件傳遞最高熱能的工作條件（the condition that delivers the highest thermal level to the part in question）”的工作狀態，可在舊有檢測方式的基礎上提供新的檢測思路和方式，為各實驗室檢測提供數據參考，縮短測試周期。