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应用案例|等温量热仪用于研究手机发热行为

08-12

本期预览

 本文利用等温量热仪对智能手机的发热行为进行了研究,测定了不同品牌的手机在典型使用场景下的实时发热功率。

前言

随着消费者对智能手机高配置、高性能的追求,高端芯片、5G、大容量电池、快速充电、高刷屏等新技术不断在手机上得到应用,在大幅提高了手机性能的同时也加剧了手机发热问题。如果手机热设计不当,不仅会导致使用中应用程序频繁卡顿或闪退,还可能引起电池过热甚至起火、爆炸等严重后果。而有效进行手机热管理设计的前提和基础是对手机发热行为进行准确测量[1]。

目前,手机发热测试方法主要有以下两种:1. 功率计算法:通过手机部件的工作电压与电流乘积计算该部件的功耗,该方法可以准确测量处理器、主板等主要发热部件的发热功率,但无法测量包括手机电池在内的少数部件,因此该方法测定的发热功率小于真实值。2. 测温法:利用热电偶或热像仪测量整机或部件表面温度变化,并对发热量进行估算,准确性相对较低。

为丰富手机发热测试手段,并提升测量准确性,本文首次利用等温量热仪和热流量热的新方法测定得到了手机整机的实时发热功率,并比较了不同品牌的手机在不同使用场景下的发热特性。

实验部分

1. 样品准备

手机样品:华为P40、SAMSUNG S20、iPhone 13、vivo S10 Pro

(注:本实验所用样机均已正常使用一年左右,实验结果仅代表上述样品的特性。)

2. 实验条件

实验仪器:仰仪科技BIC-400A等温量热仪工作模式:热流法实验温度:15℃、25℃、35℃手机工况:充电、录像、微信视频、游戏、亮屏静置

图1  (a)手机样品及(b) BIC-400A等温量热仪示意图

3. 测试过程

将两只相同的手机按图2所示的装样方式放置于等温量热腔内,其中一只手机作为参比,始终处于关机状态;另一只作为样品进行测试。设置实验参数后,等待仪器自动控温至预设温度,随后通过远程控制软件对手机样品进行特定的操作。仪器测定操作过程中样品与参比之间的温差变化,并根据温差与热流之间的增益系数计算得到手机实时发热功率。

图2 等温量热仪腔体结构及热流法原理示意图

实验结果

1. 手机充电

图3 充电过程手机产热功率曲线

本实验使用各个品牌的原装充电器,将亏电关机状态下的手机充至满电状态。如图3所示,由于各手机充电功率和倍率有所不同,因此充电完成时间和发热功率都存在差异。由于充电工况下手机的主要热源为锂电池,因此整机的发热功率变化趋势与锂电池充电情况下的产热规律相一致。

2. 高清录像

图4 录像过程手机产热功率曲线

本实验将手机清空后台,仅打开录像功能,并设置为4K、60FPS(三星为UKD)模式,录制20分钟的视频。如图4,可以发现,华为、苹果及vivo手机的发热功率都在6-7W附近,而SAMSUNG S20的发热情况明显小于其余三款手机,这可能是由于UKD模式的功耗相对较低。

3. 微信视频

图5 微信视频过程手机产热功率曲线

本实验将手机清空后台,仅开启微信,并进行30分钟微信视频,得到如图5所示实验结果,可以发现华为P40的发热功率明显小于其余三款手机,在本工况下具有明显的能耗优势。

4. 大型游戏

图6 (a)运行王者荣耀下手机产热功率曲线及(b)华为手机不同阶段产热特征详解

本实验进行王者荣耀游戏测试,并均将画质调整为最高。实验分为两个阶段,第一阶段在充电情况进行游戏,第二阶段仅运行游戏。如图6所示,所有手机第一阶段的发热情况均高于第二阶段;而各样机之间对比,华为P40的总体表现最佳,vivo S10 Pro 其次,iPhone 13在第一阶段的发热较高,排名第三,而SAMSUNG S20的发热情况最为严重。

5. 亮屏静置

图7 亮屏静置手机产热功率曲线

在完成上述实验后,将所有手机亮屏至主界面进行静置,测定手机在静置情况下的基准发热功率。可以发现,华为P40和SAMSUNG S20的发热功率较低,仅为1W左右,iPhone 13排名第三,而vivo S10 Pro亮屏功率最高,接近3W。上述现象可能与各品牌不同的后台进程管理策略有关。

6. 不同工作温度测试

图8 亮屏静置手机产热功率曲线

将华为P40分别置于15℃、25℃、35℃的温度下进行实验,如图8所示,手机发热功率随温度上升。而锂电池充放电产热在该温度范围内通常会随温度下降,这说明处理器、主板这些部件的发热特性与使用温度之间存在较明显的正相关关系。

结论

利用BIC-400A等温量热仪可以高效、准确地测量手机在各种应用场景下的产热特征,并进行包括温度在内不同工况下的研究,帮助研究人员优化手机热管理设计。

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