手持设备运行过去需要高性能 PC 系统的应用程序的能力越来越强。由于手持设备外形尺寸较小，因此这也带来了一系列严峻的挑战，特别是当被动散热几乎被视为不可替代时。

 

平板电脑和智能手机性能的快速提升导致功耗的相应增加，进而使得设备的温度升高，手持舒适度下降。特别是使用这些设备观看视频或玩游戏变得日益流行之后，这一问题变得尤为突出。这些操作都是 CPU 和图形密集型操作，与观看相对静止的画面相比，产生的功耗要高得多。新一代手持平板设备和智能手机的热设计不仅要确保关键内部元器件的表面触摸温度令人舒适，还要满足最高温度限制。除此之外，还须满足苛刻的工业设计要求。

 

本文中探讨的手持设备散热限制因素以不同条件下的测试和仿真为基础，并且提供了一种方法，可用于评估这些设备的散热选件的质量。影响最大可能功耗的因素包括：表面积和辐射率、外壳材料、热学界面材料、散热器属性和空气间隙。这些设备热设计的限制因素通常为外表面的触摸温度。之前曾有研究探讨手持设备的最大容许触摸温度。本文将讨论最大限度增强这些设备内的热扩算所带来的效果，这将有助于将这些设备的触摸温度保持在舒适的限制范围内。

 

1性能预期

 

手持设备运行过去需要更强大处理器的应用程序的能力越来越强。用户希望这些设备提供的性能能够与过去通常使用笔记本电脑和台式电脑获得的性能相媲美。这将带来一系列严峻的挑战，特别是在这些外形尺寸较小的设备中，被动散热几乎被视为不可替代。一些研究者，例如 Brown 等 [2]、Lee 等 [5]、Mongia 等 [6]、Huh 等 [4] 和 Gurrum 等 [3]，专门讨论了手持设备所面临的各种散热难题。

 

2最大功耗

 

在此研究中，我们使用 FloTHERM® CFD 仿真计算了借助自然对流和辐射可能实现的最大功耗（如图 1 所示）。

 

图 1. 处于垂直方向的 10 英寸平板电脑的 FloTHERM® CFD 模型

 

图 2. 超过环境温度的温升与平板电脑功率的函数关系

 

图 3. 设备功耗与表面积的关系（外壳温度为 41°C 时）

 

图 4. 垂直等温设备热阻与表面积的关系（外壳温度为 41°C 时）

 

在 25°C 环境温度下，要求表面温度不超过触摸温度 41°C 时，计算最大总功耗。41°C 是 Berhe [1] 给出的铝合金外壳最高舒适触摸温度。

 

可以看到，当一个 10 英寸的平板电脑垂直悬挂在空中并通过所有表面进行传导和辐射散热时，此时理论上的最大总功耗为 17.1 瓦特。将设备放在水平绝热表面时，则只有侧面和上表面会发生热传递。这些值即为设备在静止空气中从不同方向耗散的最大热量限值。

 

为了计算全尺寸平板电脑的总功耗，将以下假设作为使用 610K 元件的 FloTHERM 模型的输入：10 英寸典型平板电脑，尺寸为 180 mm（宽）x 240 mm（高）x 10 mm（深），具有均匀表面温度的理想条件。我们将平板电脑仿真为一个具有极高热导率的导热块 (k = 10000 W/mK)，并且内部产生均匀的热量，以形成基本等温的表面。当表面辐射率为理想值 1.0 时，辐射热传递元器件的功耗竟然占到了 17.1 瓦总功耗中的 9.9 瓦，而对流热传递元器件仅占 7.2 瓦。由于在 25°C 环境温度下，辐射占据了总功耗的一半以上，因此使用高辐射率表面处理非常重要。

 

为了实现最大功耗，我们需要仔细研究设计参数。设计设备时应尽量使其处于等温状态，以便通过这些表面向环境传递尽可能多的热量，这一点非常重要。如果某个表面无法进行热传递（例如将设备放在毛毯上），则功耗量将几乎减半。

 

采用 CFD 方法计算三种设备（智能手机、迷你平板电脑、全尺寸平板电脑）在 41 °C 最高触摸温度时的功耗。图 3 中给出了设备处于垂直位置以及处于水平位置且下表面为绝热表面时，设备功耗与表面积之间的关系。平板电脑最有可能的使用位置是水平位置，且下表面近乎绝热；智能手机则很少在这个方向上使用。通过功率和温升计算结果，目前我们可以计算出垂直等温平板电脑的热阻与裸露表面积之间的函数关系，如图 4 所示。

 

3数值模型

 

为了分析不同热管理技术的影响，我们使用 FloTHERM XT™ 构建了一个详细的计算流体动力学 (CFD) 热模型。由于可能不知道平板电脑主处理器的热特性数据，因此可使用 Mentor Graphics 的 T3Ster® 硬件以较高的精度测量实际处理器的热特性，从而确定从处理器 IC 到外壳和 PCB 的热阻（Wagner 等 [7]）。这样可以准确地捕捉到处理器顶部和底部的热流。处理器的热模型可直接置入到平板电脑的 CFD 模型中。FloTHERM XT 中的自适应网格不仅允许在模型中包含平板电脑内部元器件微调功能，还能将网格数保持在合理规模内，如图 5 和图 6 所示。

 

使用 CFD 热模型，可以解决下列问题：

1.高热导率的散热器在降低触摸温度的同时可以提高多少散热量？

2.将发热元器件的热量传递到可有效散热的平板电脑表面的最佳方法是什么？

3.如何在热管理过程中有策略地使用空气间隙？

4.除对流以外，辐射的重要程度如何？

5.耗散功率应该在来源处耗散，还是在表面耗散？

6.与铝合金或镁合金外壳相比，使用塑料外壳的平板电脑的散热性能如何？

 

图 5. 平板电脑内部元器件温度的 FloTHERM XT 模型

 

图 6. 显示平板电脑背面周边的热点和自然对流气流的 FloTHERM XT 模型

 

由于我们的目标是将触摸温度保持在 41 °C 以内，因此第 1 个问题的答案对设计具有很大的影响。

 

通过在平板电脑外壳内部安装高热导率的散热器或采用高热导率的材料制作外壳，可实现温度均匀性（Wagner 等 [8]）。请记住，最高触摸温度与散热器或外壳的热导率有着密切的关系。最高舒适触摸温度会随着外壳热导率的下降而升高。例如，如果外壳是由热导率在 0.2 W/mK 范围内的塑料制成，则用户感受到的外壳温度会低一些，因为塑料的热导率较低，因此传到用户皮肤的热量较少。表面触摸温度会随着外壳材料的热导率、密度和比热 (k.ρ.Cp) 乘积的减小而降低。当此乘积较小时，触摸温度可能比固体金属外壳的触摸温度提高约 5 °C。由于外壳的表面积相对塑料厚度而言较大，因此与铝合金外壳相比，传递到空气中的热量并没有显著减少。以上假设使用高 x-y 热导率的铝合金板或石墨板，穿透塑料外壳的内表面进行散热。

 

图 7. 三台不同的平板电脑在运行激流快艇时的图像，同时使用热电偶监测温度。

 

4红外图像

 

评估散热器的效率时（无论是内部散热器还是通过采用高热导率的外壳材料），在被测试单元以最大计算水平工作时拍摄其红外图像将非常有用。我们发现，图形密集型进程也需要进行大量计算，并且会令平板电脑以最大功率运行。一般情况下，平板电脑至少需要 30 分钟才能达到稳态温度。图 7 给出了三款平板电脑在热测试期间运行同一款游戏时的画面。

 

由于不一定知道平板电脑表面的辐射率，因此我们在平板电脑正面和背面的多个位置放置了热电偶，以读取选定位置的温度。调整红外摄像机拍摄的图像的辐射率设置，直到热电偶读数与

红外图像之间的差值达到最小。

 

图 8 给出了四款不同型号的平板电脑背面的红外图像。在这些平板电脑运行激流快艇游戏时，对这些移动设备的图形和计算能力进行测量。测试时，记录每个平板电脑的环境气温，以便确定热点处的温升情况。平板电脑 A 中间的暗区来源于将该平板电脑支撑在垂直位置的支架。

 

请注意内部热元器件的位置如何“贯穿”外壳并形成热点。

 

图 8. 四款不同平板电脑在运行激流快艇时背面的红外图像

 

5热解决方案质量的品质因数

 

由于热扩散是从平板电脑外表面耗散热量以及降低热点温度的最重要因素，因此作者提出以下品质因数，用于确定平板电脑热设计的有效性。

我们将平板电脑的热扩散效率定义为等温平板电脑的理想热阻除以实际平板电脑的实测或仿真热阻得出的比率。辐射率等于 1.0 的等温平板电脑的热阻是在理论上能够实现的最佳值。等温热阻的计算方法是将超过环境温度的温升除以等温平板电脑的功耗。而实际热阻的计算方法是将热点处超过环境温度的温升除以平板电脑的功耗。

 

热扩散效率 = Ri/Ra

Ri=∆Ti/Qi 理想等温平板电脑的热阻

Ra=∆Ta/Qa 实际平板电脑的

热阻

其中

∆Ti = 理想等温平板电脑（辐射率 = 1.0）超过环境温度的温升

Qi = 理想等温平板电脑的功耗

∆Ta = 实际平板电脑热点处超过环境温度的温升

Qa = 实际平板电脑的功耗

 

下表总结了四台平板电脑的测试结果，并计算出了每台平板电脑热设计的热扩散效率。

 

6总结

 

综上所述，通过构建精确的平板电脑热模型，设计人员可以快速测试设计更改和材料更改产生的影响，从而避免了测试原型造成的成本和进度延迟。这将加快产品上市时间，并且降低开发成本。

 

内部元器件的最大功耗不仅受到平板电脑尺寸的影响，而且与如何在内部有效地扩散热量以降低热点温度有很大关系。只有很少的工程师认识到辐射在平板电脑裸露表面散热中发挥的重要作用。直到得出精确的计算结果，辐射在平板电脑热设计中的重要性才得以凸显出来。如果各个表面的辐射率都很高，将有超过一半的热量是通过辐射传递出去的。

 

本文中引入了热扩散效率品质因数，用于衡量平板电脑实际散热效率与最大理论散热效率的比例关系。使用自然对流散热的平板电脑的理想热设计对应热扩散效率 1.0。不过，为提高热扩散效率，平板电脑的厚度和重量将不得不采取一定的折衷。

 

参考文献：

[1].Berhe, M.K.，“Ergonomic Temperature Limits for Handheld Electronic Devices”，ASME lnterPACK’07 论文集，论文编号：IPACK2007-33873

[2].Brown, L.、Seshadri, H.，“Cool Hand Linux® - Handheld Thermal Extensions”，Linux Symposium 论文集，第 1 卷，第 75 - 80 页，2007 年

[3].Gurrum, S.P.、Edwards, D.R.、Marchand-Golder, T.、Akiyama, J.、Yokoya, S.、Drouard, J.F.、Dahan, F.，“Generic Thermal Analysis for Phone and Tablet Systems”，IEEE 电子元器件及技术会议论文集，2012 年

[4].Huh, Y.，“Future Direction of Power Management in Mobile Devices”，IEEE 亚洲固态电路会议，2011 年。

[5].Lee, J.、Gerlach, D.W.、Joshi, Y.K.，“Parametric Thermal Modeling of Heat Transfer in Handheld Electronic Devices”，第 11 届 IEEE 电子系统热和热力学现象学会间会议论文集，l-THERM，第 604-609 页，2008 年

[6].Mongia, R.、Bhattacharya, A.、Pokharna, H.，“Skin Cooling and Other Challenges in Future Mobile Form Factor Computing Devices”，《Microelectronics Journal》，第 39 卷，第 992-1000 页，2008 年

[7].Wagner, G.R.、Maltz, W.，“Thermal Management Challenges in the Passive Cooling of Handheld Devices”，Therminic 2013 论文集，第 135-140 页。

[8].Wagner, G.R.、Maltz, W.，“On the Thermal Management Challenges in Next Generation Handheld Devices”，ASME InterPACK 2013 论文集，论文编号：lnterPACK2013-73237