智能移动终端产品热设计研究

张宏伟　毛建华

摘 要： 为了解决智能移动终端局部过热的问题，从平面热布局面积入手，采用热传导技术，抓住多模智能移动终端热源器件布局的关键，给出一个考虑散热的布局最小面积；根据热流密度来计算结构的整机高度。通过热仿真来进行布局和结构设计的模拟，给出结构设计的参考意见，最后通过测试去验证和完善热设计。经过实际产品的发热红外图谱分布试验，获得智能移动产品实际的温度分布平面图，得到了与仿真一致的结论。

关键词： 智能终端； 热仿真； 热设计； 热流密度； 热源器件

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着终端产品的逐步普及，以及功能的日益强大，终端产品对通信技术的影响越来越大，尤其是智能终端，以其提供多功能的业务服务，大流量，高速率的上网体验，多模多制式网络可切换，与其他设备进行互联或提供接入的特点，迅速占领终端市场并将在今后几年成爆发增长态势。随着以LTE为代表的4G的通信技术兴起及向宽带，高速数据速率的深度发展，使得终端上述几个特点得以快速实现，尤其是多模多制式的实现是智能终端一个重要特征，4G向3G，3G向2G切换的技术，使得用户只要购买了该种解决方案的终端，就可以根据当地网络的特性选择使用4G或者3G或者2G网络，无需更换终端。但是这种终端在给客户使用带来方便的同时，却增加了设计的难度，尤其是多功能，多模多制式导致终端的器件较一般终端多，这些器件中基带处理器，功放，电源器件是主要的发热器件（以下简称热源器件），而时钟芯片是热敏感器件，由于对热敏感，设计时要远离热源器件。终端在进行高速率数据传输时，热源器件发热量较大，发热除了与高速率数据传输有关外，还与这些热源器件的工艺及工作频段、工作制式等都有关，特别是目前带LTE制式的终端，在高频段发热尤为突出。终端在提供强大功能的同时，向着超薄、小型化的方向发展，而这与终端的热体验存在着矛盾。如何设计ID并在有限的空间里，合理布放多个热源器件，实现功能的同时，实现超薄，提升热体验，这就有必要在终端中引入热设计技术，该技术已经成为终端向超薄，小型化必需突破的关键技术之一。

根据在终端通信产品的研发经验及技术积累，终端整机发热与诸多因素有关，其中包括但不限于整机平均功耗大小与系统各部分功耗分配[2]及分布、电源系统的效率与动态电源管理、关键器件的选型及低功耗设计、PCB（Print Circuit Board）热源的布局与PCB布线的热设计、结构件基于对流/辐射/传导方式的热设计、发射功率控制及射频不同调制方式的采用、整机散热措施及散热材料的选取等。由此可见终端产品的热设计是一个综合性考量、评估、设计、验证的过程，多模终端的研发过程，在此将结合这些年的技术积累，进行多模终端产品热设计的研究，特别是多模制式牵涉多个制式的功放，但是这些功放在工作时仅仅有一个有功率输出，即只有一个热源。紧紧抓住这一特征，总结输出一套比较全面、系统的工程上的设计方法，其主要研究内容包括：

（1） 结合热设计理论，给出平面布局的热布局面积，该面积不但要满足布局的基本要求，同时所有热源器件根据量化的数据合理拉开间据[1]，避免热源重叠，热量过分集中。

（2） 结构尺寸的热设计评估，考虑发热的影响，给出一个满足表面温度测试符合标准的密封体最小表面积。然后根据第一步估算的数据，结合计算的热面积，估算结构件的最小高度。

（3） 热仿真，根据第二步得到的热面积，结构件高度进行发热源器件的布局，标出热源功耗，位置进行仿真。模拟结构件表面的温度。

（4） 根据热仿真结果和在终端产品热设计上的积累，适当调整结构的长宽高尺寸，为PCB板详细设计及结构的设计提供依据。

（5） 在不同网络环境下对设计的产品进行测试，并采用热成像分析仪进行终端产品热分布分析，对产品的结构和PCB的布局进行优化改进，减少热设计评估模型的与实测的误差，完善终端热设计。

1 热设计

1.1 估算平面布局的热布局面积

为了完成平面热布局的面积，首先需要进行所有器件（包括冗余设计的器件）的布局面积计算，然后这些面积求和，就得到了所有器件器件的布局面积。根据这个面积确定PCB板最小布局面积（不考虑散热效果的布局面积简称冷布局面积）。有了冷布局的最小布局尺寸以后，接着分析主要发热器件的热功耗，这些数据可以通过查阅数据手册或通过实际测试一些数据来获得器件的热功耗数据。考虑到自然冷却的方式是终端产品上常用的低成本散热措施[3]，下面针对自然冷却方式进行热面积估算。设某芯片的长是L（单位：mm），宽是W（单位：mm），该器件的功耗是Pd（单位：mW）。要达到自然对流冷却效果，该器件应占用的PCB面积为[S1]（单位：mm2）：

以上计算仅考虑了PCB单面散热，实际PCB双面都可以散热，如果热源器件背面没摆放其他器件，那么背面的铜皮也可以起到散热作用，此时的热距离将是上面计算所得数据的一半，即： [Y=x2]。下面计算热源器件所占的PCB面积：

热源器件背面有器件，所占PCB面积（单位：mm2）：

在PCB布局中，上面的计算数据往往是不可行的，因为PCB的面积有限，如果按上面的数据进行布局的话，PCB的面积就不够用了，所以需要对上面的数据按一定比例压缩，可以把上面的热距离除2作为压缩后的热距离，由此计算压缩热距离后热源器件所占的PCB面积如下：

对于通过面散热的电子设备。常用0.08 W/cm2作为经验数据来对PCB板进行热流密度[4]采用自然对流的方式进行散热[3?4]。近似使用该数据的依据是，热源器件的上下表面积远大于其侧面积，因而可以忽略侧面的自然散热效果。用热功耗与上面计算的器件所占的面积（考虑间距）的比值与经验数据进行比较，如果比值小于经验数据，说明器件比较热，需要考虑实际散热面积，利用热功耗与经验数据的比值可以算出该器件所需要的最小散热面积。记录该器件的最小散热面积（热布局面积）。在进行热流密度估算的同时，还需要对器件工作的极限环境温度进行分析，根据器件手册提供的热阻参数和结温等数据，结合热功耗，完全可以将所有热源器件及热敏感器件（比如时钟晶体等）工作的极限环境温度全部估算出来，并作出比较，确定哪一个器件工作的最高环境温度是所有热源器件或敏感器件工作环境温度中最低的，那么就需要注意，在整机工作过程中，随着温度的上升，最先出现故障的可能就是该器件，在布局时需要特别关注该器件。仿照上述的方法，对每一个发热器件的散热面积进行估算，并记录所有数据。统计考虑散热后的热布局面积：将所有发热器件的热面积再加上所有上面统计的非发热器件（发热相对很小，可以忽略）的散热面积，就是考虑散热后的PCB最小布局面积（热布局面积），这里注意，对于多模终端一般会有多个功放，但是这些功放在工作时仅仅有一个有功率输出，即只有一个热源，因此计算散热面积时，仅仅需要计算散热面积最大的那个功放作为整个功放的散热面积数据即可，而其他的功放可以当做这个发热功放的散热器。这个是解决多模终端小型化与发热矛盾的重要观点和处理手段之一。非发热器件散热面积近似考虑就是考虑间距后器件占用的面积。有了冷布局面积和热布局面积，由于通常情况下热布局面积大于冷布局面积，有时这两个数据相差还比较大，此时需要结合用户需求、生产，研发等来对这个布局进行折中处理，在考虑用户需求的同时，兼顾散热，生产，成本因素，修正热布局面积参数得出一个大小不能小于修正面积后的初始结构外型。一般的终端都有屏蔽罩，因此还需要根据这个初步的结构，结合生产，性能要求，估计屏蔽架所占用的布局面积，屏蔽架的热布局面积等于冷布局面积。将上面估算的热布局面积，再加上屏蔽架实际占用的布局面积就是整个PCB所有器件占用的布局面积。

为了便于理解，举一个例子，表1中为各发热器件的参数，蓝色部分为需要输入的数据，其他数据为自动计算的结果，该结果给出了热面积的大小为1 145.52 mm2。

1.2 结构尺寸热设计评估

前面计算了PCB进行布局时需要的热面积，有了这个数据就能够进行平面的布局工作了，但是整机的高度尺寸还没有确定。这里就涉及到结构尺寸的初步评估，这个评估过程包括结构的热设计评估。考虑到产品的成本，这里的热设计是基于自然散热的这个条件下进行的，无需外部散热设备辅助散热。在电子设备热研究中有个数据，温升40°时[5]，自然散热的平均热流密度为0.039 W/cm2，为便于估算，将终端近似为一个密封的且规则的长方体来进行。如果设这个近似的终端的长宽高分别为L，W，H，见图1；则表面积为S，有：

利用第1.1节计算的热面积，长和宽，就可以计算出理论上整机需要的高度。根据热流密度可以计算一组数据，以整机功耗2.5 W，自然散热功率密度0.39 W/cm2为例，计算如表2所示。

1.3 布局及布线处理

热源器件的功耗分析、热源器件的热距离布局面积计算以及热源器件的环境温度分析都完成后就可以开始PCB的布局。PCB的布局需要遵循最基本的热设计原则，通过热点分散达到整版热均衡。在同一个平面内热源器件放置时，参照前面估算的热间距进行布放，拉开一定间距；高热耗散器件在与基板连接时应尽能减少它们之间的热阻等，另外还要按照上面计算的压缩热间距布放热源器件，在热源器件的压缩热间距内尽量少布器件，更不能布放发热器件。对于PCB板的异面，热源器件的背面禁止布放发热器件，同时也要尽量少布其他器件，目的是给发热器件的背面保留一个相对完整的铜皮，便于热传导。