iPhone 4 热分析

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所有制造商的所有手机都过热!包括Apple的最新iPhone 6。多种原因可能会产生过热问题,但有些事情是肯定的,公司投入大量资源来确保其产品设计合理并符合所有热规格,有时候努力失败

在本文中,我们为iPhone 4构建了一个热模型。该模型将在稍后的博客中用于更详细的热分析。最近的iPhone(5和6)遵循与iPhone 4类似的散热设计。它们的功耗(更好的性能),尺寸,结构和外壳材料都有所改变,但总的来说,散热架构保持不变。

热(和CAD)模型将从原始手机重建。有关iPhone 4拆解的详细信息,请查看iFixit。虽然可以测量大多数尺寸和几何形状,但必须做出许多假设。幸运的是,最终结果似乎与实际测量结果非常吻合。

打开iPhone后,我们发现石墨片粘在两个屏蔽盖上; 在图1中以黑色突出显示。

石墨是一种优秀的散热器,因为它具有高的面内导热系数(400-1500 W/mK)和低的贯穿平面导电率(<4 W/mK)。经过仔细检查,似乎这些石墨片为位于电路板另一侧的CPU(A4)和LTE调制解调器提供散热,而不是eMMC,DDR和基带,它们被屏蔽盖所覆盖。应用石墨。稍后通过模拟证实了这一点。图1(b)中的微小石墨片似乎没有任何帮助,由于其不对称的几何形状,它可能是一块昂贵的片。我猜测旁边的厚柔性电缆作为散热器效果更好。

iPhone主板

图1.带有石墨板的iPhone 4主板a。和b。

拆下显示屏会露出另一块粘在中框金属支架上的石墨板(图2)。该吊具有助于减轻来自背光LED和主板的一些热量。

这块石墨板覆盖了中框支撑的整个区域,除了有切口的区域,但它可以在尺寸和几何形状上进行优化。稍后将在本文的第二部分中对此进行调查。

石墨板粘在中框金属支架上

图2.中框金属支撑上的石墨板。

最后,将第四块石墨板粘在塑料内盖上(图3)。该石墨片遵循主板的形状。

对于板的长度上几乎没有温度梯度的情况,这种石墨板将是非常低效的,例如当CPU和LTE调制解调器都受到应力(热)到类似的值时,因为它们位于相对的两端。电路板(参见电路板布局以便更好地理解)。

后盖内侧的石墨板。

图3.后盖内侧的石墨板。

我确信Apple有各种形状,尺寸,颜色(或涂层?)的原因,以及每个吊具或散热垫的方向(通过只有LTE-IC具有导热垫的方式),他们使用的目的是提供热释放。有些人从外面没有任何意义。此外,热量缓解的很大一部分来自通过软件算法实现的热控制,以优化功耗。实施什么或如何将永远是一个谜。我的妻子说她的iPhone开始变得疯狂,当它变得太热时自己开始。

结果

测量直接从iPhone 4进行,以构建半详细的热模型。特别关注主要部件在通向外壳的路径上遇到的所有传导路径,气隙和热解决方案,其中热量通过对流和辐射消散。显示器的细节模型非常难以重新创建,但是背光LED(显示器的主要热源)的位置以及盖玻片,触摸面板和LCD的厚度被尽可能准确地捕获。此外,从主板到前后盖的距离也被认为是准确的。

假设所有屏蔽盖都是不锈钢(SUS 304)。假设中框支撑为铝(Al-6063)。假设石墨片厚10μm,粘合剂和涂层分别为10μm ,总厚度为30μm。

研究的案例是LTE上的视频会议。选择此案例是因为它强调了设备中的大部分组件:LTE调制解调器,CPU(A4),eMMC,DDR和成像传感器(来自主摄像头)。总系统功率为2.4 W(粗略估计)。所有模拟均在25℃的环境温度下进行。

图片(下图)显示了从iPhone 4(左手侧)和模拟(右手侧)拍摄的红外图像之间的比较。结果非常相似!

前盖玻璃

图4.前盖玻璃的实际测量值(左)和模拟(右)之间的比较。

后盖玻璃

图5.后盖玻璃的实际测量值(左)和模拟(右)之间的比较。

这些结果直接取自热模型,假设功率为2.4 W前盖玻璃上的大红色热点(图4)是由主摄像头的成像传感器引起的。通常,测量和模拟之间存在极好的一致性。

本文的目的是达到这一点。也就是说,证实iPhone的热模型工作正常,提供合理的结果并且与实际测量结果一致。

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