應(yīng)用案例｜等溫量熱儀用于研究手機發(fā)熱行為

本期預(yù)覽

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

前言

隨著消費者對智能手機高配置、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)不斷在手機上得到應(yīng)用，在大幅提高了手機性能的同時也加劇了手機發(fā)熱問題。如果手機熱設(shè)計不當(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、爆炸等嚴重后果。而有效進行手機熱管理設(shè)計的前提和基礎(chǔ)是對手機發(fā)熱行為進行準確測量[1]。

目前，手機發(fā)熱測試方法主要有以下兩種：1. 功率計算法：通過手機部件的工作電壓與電流乘積計算該部件的功耗，該方法可以準確測量處理器、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)熱功率小于真實值。2. 測溫法：利用熱電偶或熱像儀測量整機或部件表面溫度變化，并對發(fā)熱量進行估算，準確性相對較低。

為豐富手機發(fā)熱測試手段，并提升測量準確性，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整機的實時發(fā)熱功率，并比較了不同品牌的手機在不同使用場景下的發(fā)熱特性。

實驗部分

1. 樣品準備

手機樣品：華為P40、SAMSUNG S20、iPhone 13、vivo S10 Pro

（注：本實驗所用樣機均已正常使用一年左右，實驗結(jié)果僅代表上述樣品的特性。）

2. 實驗條件

實驗儀器：仰儀科技BIC-400A等溫量熱儀工作模式：熱流法實驗溫度：15℃、25℃、35℃手機工況：充電、錄像、微信視頻、游戲、亮屏靜置

圖1  (a)手機樣品及(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)，其中一只手機作為參比，始終處于關(guān)機狀態(tài)；另一只作為樣品進行測試。設(shè)置實驗參數(shù)后，等待儀器自動控溫至預(yù)設(shè)溫度，隨后通過遠程控制軟件對手機樣品進行特定的操作。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)計算得到手機實時發(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

實驗結(jié)果

1. 手機充電

圖3 充電過程手機產(chǎn)熱功率曲線

本實驗使用各個品牌的原裝充電器，將虧電關(guān)機狀態(tài)下的手機充至滿電狀態(tài)。如圖3所示，由于各手機充電功率和倍率有所不同，因此充電完成時間和發(fā)熱功率都存在差異。由于充電工況下手機的主要熱源為鋰電池，因此整機的發(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 錄像過程手機產(chǎn)熱功率曲線

本實驗將手機清空后臺，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，這可能是由于UKD模式的功耗相對較低。

3. 微信視頻

圖5 微信視頻過程手機產(chǎn)熱功率曲線

本實驗將手機清空后臺，僅開啟微信，并進行30分鐘微信視頻，得到如圖5所示實驗結(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，在本工況下具有明顯的能耗優(yōu)勢。

4. 大型游戲

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

本實驗進行王者榮耀游戲測試，并均將畫質(zhì)調(diào)整為最高。實驗分為兩個階段，第一階段在充電情況進行游戲，第二階段僅運行游戲。如圖6所示，所有手機第一階段的發(fā)熱情況均高于第二階段；而各樣機之間對比，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)熱情況最為嚴重。

5. 亮屏靜置

圖7 亮屏靜置手機產(chǎn)熱功率曲線

在完成上述實驗后，將所有手機亮屏至主界面進行靜置，測定手機在靜置情況下的基準發(fā)熱功率。可以發(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 亮屏靜置手機產(chǎn)熱功率曲線

將華為P40分別置于15℃、25℃、35℃的溫度下進行實驗，如圖8所示，手機發(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、準確地測量手機在各種應(yīng)用場景下的產(chǎn)熱特征，并進行包括溫度在內(nèi)不同工況下的研究，幫助研究人員優(yōu)化手機熱管理設(shè)計。