智能产品散热设计

云脑智库 2021-04-23 00:00




信息来源 | 人生行旅,热设计


现在市面上智能设备越来越薄,而功能却越来越多,主控芯片的核心和主频越来越高,会产生大量的热量,热量如果不能及时散出,会影响产品的寿命,严重的甚至会烧坏硬件。因此,在产品设计阶段需要考虑智能设备如何散热。而影响散热的关键因素中,结构,散热材料,硬件,软件都有关联,需要配合起来解决产品的整机散热和温升控制问题。

硬件及PCB热设计注意事项


基本原则是:选用功耗更低的芯片和器件减少发热量,增加走线宽度降低PCB阻抗,提高电源的效率,加强散热的通道。


一般主板上面的热源器件主要有:SOC,PMIC,Charge IC,5G/4G/3G/2G射频PA,Transceiver,LCD backlight,Camera Flash Light.WIFI芯片等。在PCB布板时需要先考虑把SOC芯片,Charge IC,PMIC,射频PA芯片放置在靠金属中框的一面,这样有利于芯片增加硅胶导热出来通过金属中框或者LCD的金属背板散热出来。


分散发热器件的布局,尽量使相互距离大于4mm,Top和Bottom面的发热器件尽量分散放,不能有热重叠,温度检测sensor距离检测芯片一般2-5mm,尽量远离其他热源.


一般建议设计阶段考虑如下设计:


建议在金属框架上增加均热板,Qmax大于4.5W;



在SOC和热管之间增加TIM(散热硅胶或硅脂),K值大于3w/mk;



PMIC和屏蔽罩之间必须增加TIM(散热硅胶或硅脂), K值大于3w/mk;考虑在后盖上覆盖石墨片以冷却发热点,x-y的K值大于1500W/mk;


 

强烈建议将LCM LED和PCB放在相反的位置;

camera工作中的温度比较高,所以建议用铜箔环绕camera模组;并用热垫将其固定在金属框架上;


 

建议使用高效LED作为闪光灯,LCD背光,效率30%为宜,camera的闪光灯焊盘在主板做大面积铺铜处理来散热;

不要把指纹直接安装在PCBA上面,而是通过PFC嵌在后盖上面;


 

芯片下面需要有足够的地盲孔和埋藏孔,并且应分布均匀。芯片的地PDA在焊盘下面通过走线连接起来;



热源器件应远离板边至少3mm,热源器件之间应保持至少5mm的距离;

建议采用埋置通孔代替盲通孔,通径10mil,镀层厚度1mil;

Top 和 Bottom的铺铜厚度不小于0.5oz,保证两层主地,建议L(n)或者L(n-1)有一层相对完整的地;

大功率芯片正面增加硅胶,背面过孔露铜散热,有机会也可以在背面增加硅胶散热;


  

结构设计


散热路径:芯片-金属屏蔽罩-金属框(金属散热器)



1:使用两件式屏蔽罩,这样芯片可以通过TIM材料导热到屏蔽罩上面,进行垂直方向散热,主要起导热作用,可以有效的降低芯片温升速度和最高温度。


2:屏蔽罩上面增加石墨,进行水平方向散热,主要起均热作用,可以进一步有效的推动发热芯片的散热。


3:可以在重点发热的芯片的背面增加TIM材料导热



4:整机结构增加散热片和风扇设计:


 

散热材料设计


石墨稀热辐射贴片散热


石墨烯热辐射贴片是一种超薄散热材料,可有效的降低发热源之热密度, 达到大面积快速传热, 大面积散热, 并消除单点高温的现象。石墨烯热辐射贴片产品厚度选择多样化 (0.08mm ~ 2mm) 外形亦可冲形为任意指定形状, 方便使用于各种不同产品内, 尤其是有空间限制的电子产品中。


石墨烯热辐射贴片体积小,由于具轻量化优势,在现行散热方案中也不会增加终端产品重量,石墨烯热辐射贴片质地柔软,极佳加工性及使用性,本身亦不会产生额外的电磁波干扰,如搭配特定的吸波材料,尚可解决当今散热与电磁干扰的问题。石墨片一般贴在LCD下方,CPU上方,电池盖内侧等位置;石墨稀在生产组装时注意不能有纹路或褶皱否则会影响导热性能,石墨稀具有导电性,应避免覆盖天线区域从而影响天线性能,避免靠近器件防止器件短路。

 


石墨稀增加在电池上面解决主板bottom面,增加散热面积,解决器件散热问题。

石墨烯材料特性表:

 


金属背板散热


几年前,智能手机刚流行时,受限于芯片功率和PCB的工艺问题,整机都比较厚,手机内部的空闲体积还是很大的,利用石墨片导热基本也能满足手机散热的需求。而随着机身变得更加轻薄以及金属框架的加入,手机内的可供空气流通的空间越来越小,单纯使用石墨片就有点不够用了,散热方式需要进一步改进才能满足芯片在低温环境中平稳运行。 

石墨贴在Al-Mg金属框上


苹果在采用了金属外壳的iPhone中使用了一种金属背板散热的技术,它在使用石墨散热膜的基础上,在金属外壳的内部也设计了一层金属导热板,它可以将石墨导出的热量直接通过这层金属导热板传递至金属机身的各个角落,这样一来密闭空间中的热量便能迅速扩散并消失,握持时人也不会感受到太多的热量存在。


TIM-导热凝胶/导热硅胶散热


关于这种方式,大家应该也是比较熟悉的,其实和电脑的处理器和散热器中间的那种硅脂层是一个原理,其作用是让处理器散发的热量能够更快的传递到散热器上从而散发出去。导热凝胶是半固态,类似牙膏状,一般就是直接点到热源周围,起到传热的作用;导热硅胶是一种很软的固体,类似海绵,直接贴到热源上方,与热源接触导热;



导入材料选择:

散热硅胶或硅脂配合石墨片在整机上面的实验结果:

 


均热板散热


均热板是一种高性能的被动导热元件。因为相变理论和毛细作用,热传导效率比纯铜的相同材料提高了数百倍和数千倍以上


以其封闭于板状腔体中作动流体之蒸发凝结循环作动,使之具快速均温的特性,从而具快速热传导及热扩散的功能。均热板的组成与热导管相似,由金属壳体、毛细结构和作动流体构成。
均热板中的流体从高热端吸热,然后受热蒸发转移到了低温端,降温冷凝变成液体,循环往复给设备散热




打个比方,如果把热管比做一条“线”,那么均热板就是“面”,均热板可以看做一个面积巨大的热管。 


均热板优势是什么?


更高的散热效率:人工石墨片由于导热性能好,水平导热系数可达1500 W/m‧k,而性能更好的热管散热导热系数高达5000–8000 W/m‧k,约为前者四倍以上。前面提到均热板可以等同于“放大版”的热管,因此拥有比热导管大的腔体空间,可容纳更多的作动流体,均热板等效导热系数约为热管的2–3倍,预计可以达到20000 W/m‧k以上。


更大的散热面积:过去在运用热管散热的手机或者智能设备上,我们可以看到热管被用在最需要散热的地方-SoC上,然而5G手机的5G支持、快充等特性使得需要散热的元件不止SoC。还有外挂基带、闪存芯片和IC电源芯片等元件都有较高的发热表现,VC均热板可以覆盖更多散热元件从而为5G手机进行整体降温。

 

软件调节方式

 


软件算法是以控制温度(control temperature)为目标,根据当前的负载及温度,通过比例与积分(微分在实际中并未使用)算法确认当前可以分配的 power,然后来限制 CPU/GPU 的频率与核数。当温度超过或者将要超过目标温度时,算法会限制 CPU/GPU 的频率与核数。

算法采用轮询求平均的方法,是求出一段时间(如 2 分钟,可配置)内的平均温度,由此来确认是否要采取降温措施。如果仅仅根据一次的温度来降温,当遇到温度突然上升然后又迅速下降的情况时,会触发不必要的限制动作。2 分钟之后才采取降温的动作,可以让性能发挥更久一些,并且芯片工作温度不超标。

当温度下降时,为了更快恢复性能的需求,温度下降求平均的时间默认是温度上升时间的 1/4(如上升时间 2 分钟对应的下降时间为 30 秒),如果有需要这个时间可以调整。

但是如果某一次的温度大于等于关机温度(critical),则停止求平均,执行关机动作。

 

软件实现框图


Cooling Device


最终可以降温的设备通过主板的NTC和芯片内部的Sensor来感知温度。软件相关的参数以及策略可以通过配置xml文件里进行调试,通过 kernel 的 sensor 节点读取温度,然后把温度数据传给 Thermal Manager。通过 Cooling Devices 提供的 kernel 文件节点,写入相应的参数,最终实现 cooling 功能。


可以通过设置背光自动控制的亮度限制,架构的核心数和频率的参数,充电电流控制,3G 4G 5G PA 的功率回退等参数信息来进行温控策略调节的实现。

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