應(yīng)用案例｜等溫量熱儀用于研究手機(jī)發(fā)熱行為

本期預(yù)覽

 本文利用等溫量熱儀對智能手機(jī)的發(fā)熱行為進(jìn)行了研究，測定了不同品牌的手機(jī)在典型使用場景下的實(shí)時(shí)發(fā)熱功率。

前言

隨著消費(fèi)者對智能手機(jī)高配置、高性能的追求，高端芯片、5G、大容量電池、快速充電、高刷屏等新技術(shù)不斷在手機(jī)上得到應(yīng)用，在大幅提高了手機(jī)性能的同時(shí)也加劇了手機(jī)發(fā)熱問題。如果手機(jī)熱設(shè)計(jì)不當(dāng)，不僅會導(dǎo)致使用中應(yīng)用程序頻繁卡頓或閃退，還可能引起電池過熱甚至起火、爆炸等嚴(yán)重后果。而有效進(jìn)行手機(jī)熱管理設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)是對手機(jī)發(fā)熱行為進(jìn)行準(zhǔn)確測量[1]。

目前，手機(jī)發(fā)熱測試方法主要有以下兩種：1. 功率計(jì)算法：通過手機(jī)部件的工作電壓與電流乘積計(jì)算該部件的功耗，該方法可以準(zhǔn)確測量處理器、主板等主要發(fā)熱部件的發(fā)熱功率，但無法測量包括手機(jī)電池在內(nèi)的少數(shù)部件，因此該方法測定的發(fā)熱功率小于真實(shí)值。2. 測溫法：利用熱電偶或熱像儀測量整機(jī)或部件表面溫度變化，并對發(fā)熱量進(jìn)行估算，準(zhǔn)確性相對較低。

為豐富手機(jī)發(fā)熱測試手段，并提升測量準(zhǔn)確性，本文首次利用等溫量熱儀和熱流量熱的新方法測定得到了手機(jī)整機(jī)的實(shí)時(shí)發(fā)熱功率，并比較了不同品牌的手機(jī)在不同使用場景下的發(fā)熱特性。

實(shí)驗(yàn)部分

1. 樣品準(zhǔn)備

手機(jī)樣品：華為P40、SAMSUNG S20、iPhone 13、vivo S10 Pro

（注：本實(shí)驗(yàn)所用樣機(jī)均已正常使用一年左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅代表上述樣品的特性。）

2. 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)儀器：仰儀科技BIC-400A等溫量熱儀工作模式：熱流法實(shí)驗(yàn)溫度：15℃、25℃、35℃手機(jī)工況：充電、錄像、微信視頻、游戲、亮屏靜置

圖1  (a)手機(jī)樣品及(b) BIC-400A等溫量熱儀示意圖

3. 測試過程

將兩只相同的手機(jī)按圖2所示的裝樣方式放置于等溫量熱腔內(nèi)，其中一只手機(jī)作為參比，始終處于關(guān)機(jī)狀態(tài)；另一只作為樣品進(jìn)行測試。設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，等待儀器自動控溫至預(yù)設(shè)溫度，隨后通過遠(yuǎn)程控制軟件對手機(jī)樣品進(jìn)行特定的操作。儀器測定操作過程中樣品與參比之間的溫差變化，并根據(jù)溫差與熱流之間的增益系數(shù)計(jì)算得到手機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)熱功率。

圖2 等溫量熱儀腔體結(jié)構(gòu)及熱流法原理示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1. 手機(jī)充電

圖3 充電過程手機(jī)產(chǎn)熱功率曲線

本實(shí)驗(yàn)使用各個(gè)品牌的原裝充電器，將虧電關(guān)機(jī)狀態(tài)下的手機(jī)充至滿電狀態(tài)。如圖3所示，由于各手機(jī)充電功率和倍率有所不同，因此充電完成時(shí)間和發(fā)熱功率都存在差異。由于充電工況下手機(jī)的主要熱源為鋰電池，因此整機(jī)的發(fā)熱功率變化趨勢與鋰電池充電情況下的產(chǎn)熱規(guī)律相一致。

2. 高清錄像

圖4 錄像過程手機(jī)產(chǎn)熱功率曲線

本實(shí)驗(yàn)將手機(jī)清空后臺，僅打開錄像功能，并設(shè)置為4K、60FPS(三星為UKD)模式，錄制20分鐘的視頻。如圖4，可以發(fā)現(xiàn)，華為、蘋果及vivo手機(jī)的發(fā)熱功率都在6-7W附近，而SAMSUNG S20的發(fā)熱情況明顯小于其余三款手機(jī)，這可能是由于UKD模式的功耗相對較低。

3. 微信視頻

圖5 微信視頻過程手機(jī)產(chǎn)熱功率曲線

本實(shí)驗(yàn)將手機(jī)清空后臺，僅開啟微信，并進(jìn)行30分鐘微信視頻，得到如圖5所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)華為P40的發(fā)熱功率明顯小于其余三款手機(jī)，在本工況下具有明顯的能耗優(yōu)勢。

4. 大型游戲

圖6 (a)運(yùn)行王者榮耀下手機(jī)產(chǎn)熱功率曲線及(b)華為手機(jī)不同階段產(chǎn)熱特征詳解

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行王者榮耀游戲測試，并均將畫質(zhì)調(diào)整為最高。實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段，第一階段在充電情況進(jìn)行游戲，第二階段僅運(yùn)行游戲。如圖6所示，所有手機(jī)第一階段的發(fā)熱情況均高于第二階段；而各樣機(jī)之間對比，華為P40的總體表現(xiàn)最佳，vivo S10 Pro 其次，iPhone 13在第一階段的發(fā)熱較高，排名第三，而SAMSUNG S20的發(fā)熱情況最為嚴(yán)重。

5. 亮屏靜置

圖7 亮屏靜置手機(jī)產(chǎn)熱功率曲線

在完成上述實(shí)驗(yàn)后，將所有手機(jī)亮屏至主界面進(jìn)行靜置，測定手機(jī)在靜置情況下的基準(zhǔn)發(fā)熱功率?？梢园l(fā)現(xiàn)，華為P40和SAMSUNG S20的發(fā)熱功率較低，僅為1W左右，iPhone 13排名第三，而vivo S10 Pro亮屏功率最高，接近3W。上述現(xiàn)象可能與各品牌不同的后臺進(jìn)程管理策略有關(guān)。

6. 不同工作溫度測試

圖8 亮屏靜置手機(jī)產(chǎn)熱功率曲線

將華為P40分別置于15℃、25℃、35℃的溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖8所示，手機(jī)發(fā)熱功率隨溫度上升。而鋰電池充放電產(chǎn)熱在該溫度范圍內(nèi)通常會隨溫度下降，這說明處理器、主板這些部件的發(fā)熱特性與使用溫度之間存在較明顯的正相關(guān)關(guān)系。

結(jié)論

利用BIC-400A等溫量熱儀可以高效、準(zhǔn)確地測量手機(jī)在各種應(yīng)用場景下的產(chǎn)熱特征，并進(jìn)行包括溫度在內(nèi)不同工況下的研究，幫助研究人員優(yōu)化手機(jī)熱管理設(shè)計(jì)。