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手机散热的进货

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阅读次数 41      发表日期 2020-9-6 23:23
搭载相同SoC的智能手机之间,在跑分和游戏帧数上会存在一定的差异,很大程度就是受到了散热设计的影响。当手机屏占比越来越高、玻璃后盖的光影效果越来越酷、摄像头数量和像素值不断增加的今天,我们更应需要留心手机在散热设计上的精简和强化。
芯片布局影响热感
如果手机在玩游戏时发热严重,当热感传递到手掌之间,哪怕画面依旧流畅也会严重影响游戏的心情。那么,如何降低芯片(主要就是处理器)的热感影响呢?抛开手机内散热用料的品质不谈,最简单的方式挪动芯片所在的位置。
目前绝大多数智能手机都采用了内存芯片(上)和处理器芯片(下)堆叠封装的设计(图13),并将它们安置在了电池上方的位置。这种布局的优势是成熟可靠,对PCB主板的设计要求较低。但是,发热源位于手机顶部区域会带来一个较为严峻的问题——当我们横屏玩游戏时,注定会有一只手(指)要与这个主要发热源进行亲密接触(图14),如果手机发热严重就尴尬了。而此时,我们最多只能改变持握姿势,让手指尽量避开发热最高的位置。
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相对而言,采用“L”型PCB主板的手机,则可以有效规避上述问题。以苹果iPhone Xs系列、三星Galaxy S10和华硕ROG2游戏手机为代表的产品,就将处理器芯片放在了L型主板的侧边拐角处(图15),处于横屏持握手机时的“死角”,由此便有效降低了游戏过程中你所能感受到的热量。可惜,这种设计需要更复杂的PCB主板布局,对电池的形状和容量也影响颇大,所以始终是手机领域的少数派设计。
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常规散热设计探讨
如何缓解芯片的发热?最简单的散热原理就是将热量快速传递并分摊到更大的散热面积上,从而加速热量的散发。在这个过程中,散热材料和结构起到了至关重要的影响。
在常规的散热设计中,石墨散热膜是应用最为广泛的材料,其经常被贴在屏幕面板下方、处理器表面和后盖内层。我们可以将石墨散热膜理解为超薄的散热片,可以将热量分散,将温度均匀化(图16)。此外,如果手机采用了金属材质的后盖、中框或内部的骨架,也能起到传导和分散热量的功效,它们与多层石墨散热膜的结合,就构成了绝大多数手机常用的常规散热设计。
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石墨散热膜中间的粉色凸起为与芯片直接接触的导热硅脂,这部分导热用的填充物也至关重要,导热系数越高散热效果越好
现在还有部分手机会选用超薄的铜箔替代石墨散热膜(图17),就导热和散热的效果而言,铜箔要在石墨之上。
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更高级的散热方式
在《愤怒的小鸟》和《植物大战僵尸》等手游最热的年代,上述传统散热方案足以“镇压”游戏过程中的温度。然而,如今手机常玩的游戏已经换成了《王者荣耀》、《和平精英》和《崩坏3》,特别是《崩坏3》往往需要CPU和GPU满负荷运行才能确保帧数的稳定。此时,手机芯片的发热量很容易便超过了石墨和金属框架所能吸收热量的上限,于是就出现了发热严重和因降频引起的游戏卡顿等问题。
为了缓解手机处理器全速工作时的“热情”,热管散热技术逐渐在中高端手机领域普及。手机专用的热管在结构上和笔记本散热模块里的热管相同,都是由纯铜打造的一种中空结构的“金属管道”,内部为真空环境,并填充着纤维和冷却液(以纯水为主),通过冷却液在热管两端不断地蒸发和冷凝实现热量的高速传递(图18)。
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问题来了,手机内部空间有限,可以容纳的热管长度和厚度有限,在极端情况下依旧存在“压不住”处理器发热的情况。此时,就轮到全新散热材料的登场了。
首先就是“均热板”,我们可以将其理解为成“大片状”的热管,均热板是一个内壁具有微细结构且注有冷却液的真空铜腔体,原理同样是依靠冷却液受热源蒸发→冷凝不断循环(图19)。对手机而言,加入更长的热管并不现实,但塞进表面积更大的均热板却问题不大,由此可以带来比热管更高效的散热。黑鲨2 Pro和ROG2等手机,就是依靠均热板实现了比竞品更好的散热效果(图20)。
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同样是以均热板为主的多层散热结构,但ROG2的均热板面积更大,所以其散热效果要远远优于黑鲨2 Pro
此外,石墨烯也是一种比石墨更先进的材料,它不仅具备更好的导电性(提升电池寿命、缩短充电时间),在相同厚度下它的散热性能也要比普通的石墨散热膜提升20%,导热性能更是纯铜的2.8倍。因此,将石墨散热膜换成石墨烯散热膜,同样可以进一步提升手机的散热性能。可惜,石墨烯成本较高,至今貌似也只有华为Mate 20X一款产品用上了这种散热材料(图21)。
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华为Mate 20X散热结构示意图
来自系统层面的优化
除了通过硬件提升散热能力,从系统和软件层面降低处理器的发热也是一种行之有效的手段。自从华为推出GPU Turbo以来,OPPO、小米和vivo也纷纷祭出了自家的“Turbo”技术,它们的原理都是更智能的AI调度机制,让CPU和GPU资源可以根据当前运行的具体程序和负载进行合理分配。
比如,哪怕是《刺激战场》这种对整体性能的调度需求更快且更加无序的游戏,也能通过AI预测可能的游戏场景,以及CPU和GPU所需要匹配的最佳频率,然后提前做出预判,从而实现游戏过程中的性能最优,功耗和发热量反而有所降低的作用。
通过外设改善散热
对配置相同的手机而言,石墨散热膜层数越多、热管越粗越长、均热板面积越大,其散热性能也就越给力,玩同样的游戏发热更低,跑分软件的成绩也能更高一些。问题是,对于那些散热效果表现一般,但价格却更加实惠的手机而言,我们就只能放弃了吗?
答案自然是否定的,现在网上可以买到各种款式的手机专用的散热器(图22),有和手柄托架连为一体的(持握感更好)、有通过扣架固定在手机背部中间的、还有通过吸盘贴在手机后盖上的,它们的售价从30元到百元不等,在游戏的过程中都能起到较好的改善散热的效果。至于此类产品应该如何选购,CFan会在近期制作相关的专题,敬请期待。
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来源:CFAN


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