如何评估智能手机热传递效率？高通顾问：请记住CTS！

智能手机等移动电子设备，受制于轻薄的外形，难以应用有较大体积要求的主动散热方案，当前智能手机的冷却技术以自然散热为主。智能手机中的主要热源包括高集成度的AP(应用处理器)、电源管理电路和相机部件等，它们的热量主要依靠散热材料的轴向接触进行逐层传导，利用散热材料的宽大面积做热扩散，从而获得均匀的表面温度，并降低高热器件的热点温度。

可见预见，组合使用石墨（或石墨烯）散热片、导热铜箔、均热板、超薄热管等散热材料，并结合动态电压频率调整(DVFS)及传感器监测实时调整运行功耗，对内部进行有效热扩散，是今后智能手机将长期采用的热对策。

CTS的诞生历史

如何做到良好的均热（热扩散）设计？高通公司及斯坦福大学机械工程系的研究者，通过考察智能手机等同级别功率设备的表面温度均匀性，为业界提供了一个通用无量纲的热扩散系数（CTS），来量化了设备内部热扩散的有效性，有效解决了长期以来受皮肤温度限制的各种移动设备的热设计需求。

他们的工作成果发表在2016年第15届IEEE电子系统热和热机械现象协会会议（ITherm）上，论文题目为《A figure of merit for mobile device thermal management》。经查询资料得知，此项公司是由高通公司和斯坦福大学机械工程系的Ken Goodson博士等研究者共同完成的。

图1：《A figure of merit for mobile device thermal management》发表在2016年ITHERM上

作为高通公司的热传顾问，Ken Goodson博士在2020年10月国际热创新研讨会发表的题为《Getting the Heat Out - Electronics Cooling from Smartphones to Data Centers 》（中文直译《消除热量-从智能手机到数据中心的电子冷却》）的演讲中，介绍了CTS指标在衡量智能手机热设计中的作用。

图2：Ken Goodson博士介绍CTS指标

CTS是可以通过数值模拟或红外(IR)表面温度成像进行计算的一个通用无量纲热扩散系数（指标），可以用来比较许多具有同级别功耗的移动设备的热设计效率。CTS值反应了热量从手机内部往表面热传递设计的有效性，事实上在完善的内部散热管理的限制下，手机内部芯片等部件产生的所有热量都会扩散到手机的各个表面，从外部看，表面温度分布几乎是均匀的。

热扩散系数(CTS)的定义

热扩散系数(CTS)是跟热扩散效率有关的指标。这一指标表明，通过对CTS进行改进设计，我们可以改善热传播，并增强给定手机/移动设备的功率处理能力，从而实现更高的性能。随着热设计质量的提高，表面温度的变化将减小。基于对温度的平均值Tave标准偏差的评估，CTS定义为：

公式(1)简单来说只是手机表面的平均温升与峰值温升的比值。随着手机接近“完美”的热设计，这一比值是无量纲的，其外壳温度均匀，为Tave 和Tmax 都是一样的。与基于标准偏差的度量相比，公式(1)直接与功率和最高表面温度相关，即设计过程的关键输入/交付。改进 CTS 可直接降低给定功率下的最高表面温度。

由于局部换热率会因各种外部参数而变化，为了方便得到定量值，我们假设整个表面的对流换热系数h为定值。公式(2)表明，在给定的功率和表面积下，表面平均温度与手机设计无关。因此：

Pphone [W]是手机所产生的总热量;A是总表面积

θave = Tave - Tambient是手机表面相对于周围空气的平均温升。

利用公式(2)，可以用以下公式（3）计算CTS:

Pphone表示在不超过外壳温度极限时的手机功率，Pperfect/ideal表示在具备完美内部热传递情况下，从手机中移除的热量。

图3:两种模拟普通手机LCD表面的温度分布(138毫米x70毫米)

(a)大面积热扩散器(128毫米x62毫米)，将电池与产生的热量芯片连接起来使温度更加均匀。(b)较小的热扩散器(35毫米x33毫米)产生高度不均匀的LCD温度；图1说明了手机的热设计必须满足皮肤极限温度，并避免潜在的热点。由于器件表面散热不良，器件峰值温度为59.5℃(图1(b))，违反了当前45℃的外表面温度设计限制。通过改善热扩散，峰值温度下降到临界极限以下(图1(a))。

CTS热扩散指标对热和电气设计/性能都很重要。CTS能够满足各种性能规格(皮肤/结温限制)要求，降低处理器被热节流的功率损失，是为智能手机芯片/设备制造商提出的能够同步提升整体电气和热性能的系统级解决方案。

CTS指标的测量

研究团队采用按垂直方向安装的基准用例手机设备Quad-Dhrystone，通过红外成像测量指标(图4(a))。以下是设备与测试细节:a)k型热电偶测量环境温度;b)数据记录器记录热电偶温度;c)红外摄像机测量LCD/后盖峰值/平均温度;d)等待40分钟，直到表面温度达到稳态，开始CTS测量。

由于LCD和后盖的表面发射率未知，研究人员将三个k型热电偶(标记为1到6，每个LCD/后盖表面3个)安装在LCD和后盖的低/中/高温区域(图2(b))的读数当作参考温度，以便校准LCD和后盖的表面发射率。调整红外相机的表面发射率，直到热电偶与红外相机读数之间的温差小于1℃，此时确定的表面发射率即是LCD/后盖的表面发射率。

获取温度配置文件:a)运行功率密集型用例;b)使用红外相机捕捉表面温度;c)将红外温度数据导入csv文件;d)对LCD/设备表面的表面温度进行面积加权平均;e)提取设备表面最高温度;f)计算CTS = (Tave, skin- Tambient ) / (Tmax, skin- Tambient)。图5总结了30分钟内的CTS测量结果，该特定设备的CTS峰值为0.62。

需要注意的是，研究用例测试是在露天环境下进行的，后续通过使用JEDEC封闭盒(带有红外摄像机访问端口)，有可能进一步提高测试的稳定性。这项工作值得进一步评估，以便行业更容易接受CTS指标。

图4：商用手机用例的CTS红外成像评估

图5：商用手机热扩散系数CTS测量实验

热扩散系数(CTS)的应用实例

研究者期望CTS能指导手机热设计改进，并增加制造商与芯片公司的互动。他们完成了几项针对手机热设计的仿真/CFD研究，实例中包含了不同形状特征的散热器和不同的设备功率。图4描述了模拟的最大表面温度与热扩散器几何形状和功率的关系。

图6:不同CTS值对应的最大表面温度

(i)沿绿箭头方向的手机设计受到表面温度的限制，应选择对应功率来满足该限制。(ii)沿着蓝色箭头的设计表明，在给定功率不变的情况下，通过改进热设计，表面温度会如何降低。(iii)红色箭头表示，通过改进设计来冷却非常大的热功耗是不可能的。

CTS指标的作用

利用CTS指标，可以对智能手机的热设计目标进行定量设计，有助于移动电子设备现实最佳的性能/热设计平衡。芯片制造商可以定义一个可接受的最低CTS水平，以确保他们的芯片得到适当的冷却，并提供一个让客户信服/满意的性能水平。随着热工技术的改进，制造商将能够生产更高CTS/性能的设备，并在热管理成本可控的情况下努力让CTS值接近1(完全冷却的手机)。

通过评估商业手机的CTS值，能够得到设备内部允许的功耗水平。研究团队的模拟结果显示，CTS值为0.8时，智能手机在性能和成本之间可能实现更好的平衡。

尽管CTS是全新的，但研究团队认为作为衡量移动设备热扩散效率的通用无量纲度量方法，CTS值量化了移动设备内部的热扩散，是改善热设计的具体指标。它指示了热设计在给定形状/大小的移动设备上可以改进多少。仿真结果表明，热设计优化的手机的CTS值在0.8 至0.9之间，而热扩散不平衡的手机的CTS值在0.5以下。不同的移动设备有不同的CTS值，取决于设备整体大小和内部设计。

CTS指标能够帮助改善设备表面的热扩散，并降低表面最高温度。如果被行业采纳，CTS将用来指导设计更多具有良好热平衡的手机/移动设备。

参考来源：

https://ieeexplore.ieee.org/document/7517712

推荐阅读：

5G热管理交流群

5G时代，半导体设备呈现集成化、轻薄化、高频高速等发展趋势，在有限的空间整合热管理方案，保障设备运行和降低能耗，是半导体设备研发的关键课题。欢迎业界朋友加入5G热管理微信交流群，部分群友企业信息如下：

1、系统应用厂：比亚迪、富士康、京信通信、三星、华为、中兴、小米、OPPO、vivo、联想集团、华勤、龙旗、深科技、格力、京东方、海信、魅族、酷派、努比亚、海能达、NVIDIA、INTEL、曙光、光峰、浙江大华等；

2、散热产品厂：泰硕、双鸿、超众、台达、AVC、讯强、业强、宝德、锘威、碳元、中石、精研、天脉、新创意、爱美达、讯硕、伟强、合众、恒创、斯倍硕、瑞捷、莹帆、联德、力致、鸿富诚、思泉、飞荣达、中达、迈萪、今山电子、垒石、华盈、盈启、永腾电子、莱尔德、信越、霍尼韦尔、迈图、3M、宏力诚光电、赛航、领益、AAC、长盈、捷荣、鸿富瀚、楚岳、麦伦电子等。

为确保身份真实，麻烦长按二维码登记加群！

注：本站所有文章仅为最新技术报道及信息提供，读者的任何相关需求必须遵循现实中专业人士的意见，不得将文中内容作为实际应用参考。建议、合作、投稿等可后台回复联系我们。