基于熱設(shè)計(jì)的某型手持終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化

倪大江，陶全樂(lè)

（南京六九零二科技有限公司，江蘇 南京 210013）

1.引言

隨著科技的發(fā)展，復(fù)雜電子設(shè)備越來(lái)越多，如何有效保證電子設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)熱量下依然可靠穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，這就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)充分考慮熱設(shè)計(jì)，合理選擇冷卻方法，選擇最佳的傳熱通道。

2.某型手持終端存在的過(guò)熱問(wèn)題

某型手持終端項(xiàng)目組在進(jìn)行設(shè)備北斗定位精度試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在終端開(kāi)機(jī)正常工作約3 個(gè)小時(shí)后，終端機(jī)殼外表面溫度過(guò)高，導(dǎo)致手感太燙，無(wú)法手持，此時(shí)室外溫度為20℃左右。

圖1 終端定位精度測(cè)試圖

如果終端溫度過(guò)高，還可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)備損壞。本產(chǎn)品為型號(hào)產(chǎn)品，且為手持設(shè)備，所以設(shè)備使用過(guò)程中的用戶體驗(yàn)（手感）很重要。考慮到這一點(diǎn)，我們提高設(shè)備的用戶體驗(yàn)。

3.某型手持終端的可靠性分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

將終端在常溫下拷機(jī)進(jìn)行手持部位的溫度實(shí)測(cè)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、整理，并制作了溫度統(tǒng)計(jì)表，如表1 所示。

調(diào)查結(jié)果顯示終端工作穩(wěn)定后，表面溫度基本穩(wěn)定在46.2℃左右（常溫20℃），此溫度明顯感覺(jué)燙手，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間手持使用。如果在工作環(huán)境溫度-25℃～+55℃下長(zhǎng)時(shí)間工作的話，終端的功耗大，散熱效果差，導(dǎo)致表面溫度將會(huì)更高，更加感覺(jué)燙手。甚至可能導(dǎo)致CPU 過(guò)熱保護(hù)，出現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)，影響設(shè)備的正常使用。

表1 某型手持終端手持部位實(shí)測(cè)溫度統(tǒng)計(jì)表

3.2 原因分析

分析各項(xiàng)因素，整理了樹(shù)圖（圖2），而后歸納得出4 條末端因素：

圖2 某手持終端表面溫度影響因素樹(shù)圖

經(jīng)分析確認(rèn)：柔性導(dǎo)熱墊厚度不合適：柔性導(dǎo)熱墊通常的壓縮量為30%～70%。由于終端要求滿足振動(dòng)和跌落的要求，避免在振動(dòng)和跌落時(shí)電路板產(chǎn)生形變，CPU 與橋片與設(shè)備殼體（金屬殼體）產(chǎn)生硬接觸，所以設(shè)計(jì)要求柔性導(dǎo)熱墊的壓縮量為30%。設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量缺少散熱途徑：本手持終端實(shí)際上就是一臺(tái)具備北斗功能的計(jì)算機(jī)，所以功耗與散熱問(wèn)題就成為不容回避的問(wèn)題。終端內(nèi)的熱源大戶是核心板（包括CPU、橋片）和北斗模塊，它們工作時(shí)消耗的電能會(huì)有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化為熱量。經(jīng)理論分析，終端內(nèi)部熱源只采用了低效率的傳導(dǎo)和輻射散熱方式，散熱較慢，效率極低，不能快速將積累的熱量散掉。導(dǎo)致終端整體溫度過(guò)高。

4.手持終端的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 對(duì)策實(shí)施一：采用合適厚度的柔性導(dǎo)熱墊傳導(dǎo)熱量

柔性導(dǎo)熱墊在熱源和金屬殼體之間，起到了熱量傳導(dǎo)媒介的作用，柔性導(dǎo)熱墊的壓縮量直接影響導(dǎo)熱效率。因此，項(xiàng)目組分別選用了厚度不同的，同型號(hào)柔性導(dǎo)熱墊作為傳導(dǎo)介質(zhì)。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在同樣的狀態(tài)下，待設(shè)備穩(wěn)定后使用Gap Pad 1500，厚度1.5 mm 的柔性導(dǎo)熱墊效果比厚度1.0 mm 的柔性導(dǎo)熱墊好，能夠使CPU 溫度下降2℃左右。

4.2 對(duì)策實(shí)施二：綜合采用多種散熱方式

多熱源傳導(dǎo)：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)手感確認(rèn)確定核心板上的CPU、橋片及北斗模塊的散熱量比較大，需要對(duì)這些部件進(jìn)行傳導(dǎo)散熱處理。將熱量傳導(dǎo)到金屬機(jī)殼上，利用大面積金屬進(jìn)行散熱。增加散熱翅的面積，提高熱量的輻射能力：通過(guò)仿真計(jì)算，改善前散熱翅表面積518.4 cm2，如圖3 所示。改善后散熱翅表面積833 cm2，如圖4 所示。改善后，外表輻射散熱面積在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了314.6 cm2（在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了60.7%）。

圖4 改善后散熱翅結(jié)構(gòu)

增加風(fēng)機(jī)進(jìn)行主動(dòng)空氣對(duì)流散熱：在風(fēng)機(jī)的選型過(guò)程中，我們考慮了安裝方便，功耗小，噪音低，要求防水，防塵，防鹽霧等要求。對(duì)散熱翅、風(fēng)道、入風(fēng)口和出風(fēng)口進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證和改進(jìn)，并采用了溫度控制方式啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行工作。

整機(jī)設(shè)備將CPU、橋片和北斗模塊的熱量通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)較高的柔性導(dǎo)熱墊傳導(dǎo)到機(jī)殼上。一部分通過(guò)機(jī)殼進(jìn)行輻射散熱，同時(shí)通過(guò)溫度控制器檢測(cè)機(jī)內(nèi)溫度，到達(dá)設(shè)定溫度后，控制機(jī)殼外部的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將散熱翅的熱量主動(dòng)快速帶到空氣中進(jìn)行散熱。

5.手持終端的優(yōu)化效果

在2018 年8 月下旬-11 月中旬，按照對(duì)策實(shí)施后的終端進(jìn)行常溫試驗(yàn)驗(yàn)證，據(jù)統(tǒng)計(jì)終端正常工作后實(shí)測(cè)溫度如表2所示。

表2 溫度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

6.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用合適厚度的柔性導(dǎo)熱墊傳導(dǎo)熱量、多熱源傳導(dǎo)、增加散熱翅的面積，提高熱量的輻射能力、增加風(fēng)機(jī)進(jìn)行主動(dòng)空氣對(duì)流散熱，達(dá)到了改善散熱的效果。