5G移动终端不同工作状态下的温升研究
时间：2023-03-02 23:05:04 来源：千叶帆 本文已影响人
曾志群 张垂虎 董三碧 刘泳海 赵 奎 莫贤标
（威凯（深圳）检测技术有限公司 深圳 518110）
5G（5thGeneration Mobile Communication Technology）全称第五代移动通信技术，是移动通信技术领域最新的技术跃迁，相比之前，5G拥有用户体验达1 Gbps的超高速率、低至1 ms的时延、百万级连接/平方公里的强大连接能力等突出性能，可广泛用于各个行业领域。2017年，中国工业与信息化部正式确认将中频段（3 300～3 600）MHz和（4 800～5 000）MHz作为5G的商用频谱，吹响了搭配5 G技术设备研发和应用的号角，5G设备开始走进各大公司和千家万户。而5G移动终端则是搭载5G通信技术的移动终端设备，为5G提供硬件支持，目前最常见的就是我们随身携带的5G智能手机。由于5G高速率、低时延、强连接的工作特点，要求其搭载的终端设备需具备较高的运算处理能力，这也意味着搭配5G的终端设备需要承受更为严苛的温升条件，尤其是对于智能手机这类体积小、可携带的移动终端，需要承受的温升条件就更为严苛了。本文的研究对象主要考虑5G智能手机。
5G智能手机在使用过程中长时间发热导致机体温度升高，会造成各种各样的负面影响。一方面会影响手机本身工作性能，温度较高时会出现闪退、卡顿等现象；
一方面还会对人体造成灼伤，也就是我们平时说的“烫手”；
一方面会加快电池耗电速率，减少手机续航能力，而且电池在高温环境下工作还会出现鼓包、断电，甚至是爆炸的危险，对人体造成伤害。所以，无论是从产品性能还是安全的角度，抑或是出于检查和认证的需要，对5G智能手机进行温升测试都是必要的。
2.1 温升测试
针对不同的电器产品，在不同的销售区域，需符合不同组织颁布的不同标准[2]，但是不同标准中的测试方法原理是共通的。对于温升测试，可以采用的测试方法众多，目前主流检测机构所采用的主要是两种方法，一种是热电偶法，一种是电阻法，本文中采用前者。热电偶法以热电效应为基本原理，用两种不同材料的金属导体连接为回路，利用测量端和参比端的温度差异产生电动势能，进而形成电流，借助这一关系完成温度测量[3]。热电偶法具有较高的测量精度，较广的测量范围，且构造简单，易于使用，可较好完成本文所要求的测试任务。
2.2 EN IEC 62368-1: 2020对温升的管控要求
为了防止不合格产品流入市场对消费者和使用者造成危害，不同地区的相关组织会发布强制性或自愿性认证标准，EN IEC 62368-1: 2020是在IEC 62368-1-2018第三版的基础上加上欧盟地区的差异化标准完成的规范性标准，主要针对音视频类、信息技术类和通讯类电子设备的安全要求。其中对于温升管控的标准在第4章通用要求（General Requirements）、第5章电造成的危害（Electrically-caused Injury）、第9章热灼伤（Thermal Burn Injury）中有详细描述。第4章中规定设备中使用的元器件必须符合相关国家标准、行业标准和相关IEC标准中有关安全的部分，在温升层面即是设备工作时所使用元器件的温度必须低于其允许使用的温度，以免元器件在高温下出现故障而导致危险。第5章中有对于绝缘材料的温度要求，包括绕组绝缘、内外部配线绝缘、热塑性绝缘和元器件绝缘等。第9章则是对防止设备可触及部件温度过高对人体造成烫伤。EN IEC 62368-1:2020将人员分为普通人员（Ordinary Person）、受过培训的人员（Instructed Person）、熟练技术人员（Skilled Person）三种，热能量源（Thermal Energy Source）分为TS1、TS2、TS3三级，并按照安全工程原理规定在不同等级的能量源和不同人员之间需采取不同的安全防护，见图1。
图1 EN IEC 62368-1: 2020中对可触及零部件温度限值的分级
除特别规定外，对于一般人员，TS1被认定为是安全的，可以直接接触，无需安全防护；
TS2与一般人员之间则需要增加至少一个基本安全防护，且在一般人员维修期间，如存在需撤除基本安全防护的情况，还应在增加一个指示性安全防护；
TS3与一般人员需要增加基本安全防护和附加安全防护。对于受过培训的人员，由于已受过安全培训，具备预防性安全防护，所以TS1和TS2都是可触及的，TS3则需要增加基本安全防护和附加安全防护。对于熟练技术人员，由于具备技能性安全防护，三种能量源都是可触及的，但在维修期间，任意两个TS3之间需满足至少有一个具有安全防护，防止人员因不自主反应触碰而造成伤害。
2.3 5G智能手机和工作状态选择
目前市面上的手机种类繁多，各家品牌有各家品牌的主打功能卖点，但是从安全检测的角度看，各手机内部构造和电路结构基本上大同小异，都是采用显示屏幕在前，塑料外壳在后，中间主体是“主板+电池+小板”的架设结构，大多数制造商还会在电池和外壳之间加一层石墨，面积大小差异不大，主要起到均匀散热的功能。一台5G手机会搭载众多功能模块，比如蓝牙模块、扬声器模块、摄像头模块、手电筒模块等等，但是这些模块只是手机主板外接的附件，本身温度不高，只是通过工作时的功率大小来影响手机发热，手机长时间工作状态下温度较高的部件一般是主板和电池，这也是我们检测时必不可少的温升检测点。
5G智能手机搭载很多功能模块，这意味着在正常工作条件下手机有了许多不同的工作状态。其中发热条件较为恶劣的工作状态为持续通话和持续玩大型游戏，同时手电筒处于开启或关闭状态以及扬声器输出功率大小也会对发热有影响。由于EN IEC 62368-1: 2020附录E中对带有扬声器的设备在正常工作条件下的检测条件有明确规定[1]，所以我们只按照标准通过调节音量大小将其输出功率调为八分之一非削波功率输出，不做其他考虑。综上，同时参考中国质量认证中心于2017年5月21日颁布的《TC03关于手机温度测试指导意见》一文，我们将手机基本设置设为空电池充电、安装5G电话卡、连网下载数据文件、关闭节能模式、屏幕常亮、显示最大亮度、音量调为扬声器八分之一非削波功率输出、利用软件开启手机振动、开启手机自动定位、打开手机热点并用其他手机连接热点下载数据文件，在这些基础设置之外，我们还选择了手机在持续通话、持续玩大型游戏、手电筒开启条件下持续通话、手电筒开启条件下持续玩大型游戏四种工作状态，并检测手机在这四种工作状态下的温升情况。
根据EN IEC 62368-1: 2020对温升的管控要求，我们在5 G智能手机上选择了6个温升检测点，分别是主板、电池、屏幕、按键、塑料内壳、塑料外壳，在充电条件下分别选择持续通话、持续玩大型游戏、手电筒开启条件下持续通话、手电筒开启条件下持续玩大型游戏四种工作状态进行温升测试，测试数据如表1所示。
表1 四种状态下的各管控部件温度
表1中所选择的管控部件，PCB和电池是关键元器件，按照EN IEC 62368-1: 2020第4章要求必须检测温度；
按键、屏幕、外壳外部都是可触及部件，按第9章要求检测其工作温度；
检测外壳内部是为其他测试项目如应力消除、外壳燃烧预处理提供参考数据，此处不表。由上表可知，在环境温度为25 ℃时，首先，两大关键元器件温度都在管控范围内，其余可触及部件也都在（43～48）℃范围中，按热能量源分级属于TS1，符合标准要求，设备为合格产品。其次，在四种状态中，在手电筒开启条件下持续通话状态下各管控部件温度普遍较高，因此可认为在四种工作状态中，在手电筒开启条件下持续通话为温升情况最严苛的工作状态。
本文参考EN IEC 62368-1: 2020标准要求，针对5G手机在电池边充电边状态下的四种不同正常工作状态进行了温升测试，发现手电筒开启条件下持续通话状态是温升最恶劣的工作状态。分析得出，相较于其它三种工作状态，该工作状态由于用到了5G通信模块，工作时使用了较多的元器件支持，加上5G手机增加了大量射频元器件的同时减少了主板体积，造成元器件密度增大，发热增加，散热减少，造成了温升快速上升且最终温度较高。根据这一情况，在之后的测试中，可以考虑以这一工作状态来进行温升测试。
目前市场上对于5G移动终端产品的检测还属于初始阶段，很多产品的检测方式还是使用旧的检测方式，未能较好的考虑新型产品的工作方式对产品检测可能带来的影响。本文依照EN IEC 62368-1: 2020的标准要求为参考，着重测试了5G手机在四种不同工作状态下长时间工作的温升情况，通过各工作状态下的温升情况对比，找出最能符合标准中“向所考虑的零部件传递最高热能的工作条件（the condition that delivers the highest thermal level to the part in question）”的工作状态，可在旧有检测方式的基础上提供新的检测思路和方式，为各实验室检测提供数据参考，缩短测试周期。
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