Wärmedesign eines Smartphones – Fallstudie

Einführung

Ende 2009 veröffentlichte Palm eines seiner kleinsten Smartphones zum damaligen Zeitpunkt, das „Pixi". Aufgrund seiner kleinen Größe hatte das Pixi mehrere Wärmeprobleme. Palm wandte sich an Aavid, Thermal Division der Boyd Corporation, für eine allgemeine thermische Bewertung und die thermische Leistung des Telefons für die nächste Generation zu verbessern. Aavid war in der Lage, eine Wärmelösung mit anderen Konfigurationen zu liefern und die Leistung des Pixi zu verbessern.

Herausforderung

Das Pixi hat einen Touchscreen von 2,63 Zoll und ein QWERTY-Keyboard. Das Palm Pixi kann mit einem Ladekabel und einer drahtlosen Palm Touchstone-Ladestation aufgeladen werden. Auf der Rückseite aus Plastik befindet sich eine Metallaufspannplatte, die die Batterie und die interne Hardware schützt.

Das Pixi wird, basierend auf früheren, vom Kunden zur Verfügung gestellten Testdatenbedingungen, mit CFD modelliert. Es wird ein Baseline-Modell in CFD validiert, das den Testdaten entspricht. Das Smartphone wird mit natürlicher Konvektion bei Umgebungstemperatur in drei verschiedenen Ausrichtungen gekühlt: horizontal auf dem Tisch, vertikal auf dem Tisch und schräg im 7,5-Gradwinkel in der Ladestation. Wenn sich das Smartphone in der Ladestation befindet, verursacht diese zusätzliche Wärme in direktem Kontakt mit der Rückseite des Telefons und der Batterie.

Der CFD-Wärmegrenzwert des Pixi-Smartphones enthält: die maximalen Betriebstemperaturen der Komponenten, die Berührungstemperatur des Telefons und die Betriebstemperatur der Batterie.

Das erste CFD-Ergebnis zeigte, dass:

- auf der Vorderseite des Smartphones die meiste Oberflächenwärme im Tastaturbereich besteht.
- die Batterie von den Komponenten der Hauptprozessorplatine aufgewärmt wird.
- die Rückseite des Smartphones und die Batterie bei einer Positionierung in der Ladestation im Vergleich zu den anderen Ausrichtungen geringfügig höher liegen.

Lösung

Aufgrund des ersten CFD-Ergebnisses wurde ermittelt, dass die vertikale Ausrichtung im Vergleich zur horizontalen Ausrichtung einen etwas höheren Temperaturmesswert hat. Aber wenn sich das Smartphone in der Ladestation befindet, ist die gemessene Temperatur am höchsten. Da die meisten Komponenten thermisch sicher sind, liegt der Schwerpunkt auf dem Versuch, die Betriebstemperatur der Batterie zu senken. Die Batterie wird von den Komponenten der Haupt- und Zusatzplatine sowie rückseitig von der Ladestation erwärmt. Die Seiten- und Basishohlräume der Batterie werden mit Aerogel-Isolierung umkleidet, um die Batterie zu isolieren und ihre Temperatur zu senken. Die Innenabdeckung wird außerdem mit einer Metallbeschichtung versehen, um die Wärmeverteilung auf der Oberfläche zu erhöhen und die Berührungstemperatur der Oberfläche zu senken.

Die Ergebnisse

Aavid modellierte das Pixi-Smartphone mit dem CFD-Modell in verschiedenen Ausrichtungen und stellte einen detaillierten Bericht zur Verfügung. Das CFD-Ergebnis ist mit den thermischen Testdaten vergleichbar. Das erste CFD-Ergebnis zeigt lokalisierte warme Bereiche auf der Oberfläche des Smartphones und den Bedarf, die Batterietemperatur zu senken. Durch die Zugabe von Aerogel rund um die Batterie und einer Metallbeschichtung auf der Innenseite der Abdeckung wurden die Gesamtoberflächentemperatur und die Batterietemperatur verbessert. Diese bedeutungsvollen Verbesserungen tragen dazu bei, die Gesamtleistung des Smartphones zu verbessern. Die von Aavid vorgeschlagenen Wärmeverbesserungen ermöglichten es Palm, die nächste Generation des Pixi mit Zuversicht freizugeben.

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