从CES2020，看电子产品热设计新挑战
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2020年国际消费类电子产品展览会（International ConsumerElectronics Show，简称CES）于美国时间1月7日-1月10日在拉斯维加斯举行。智能电视、智能家居、智能穿戴、智能手机、笔记本电脑、VR/AR甚至汽车、机器人等众多产品集中展示，新形态、新功能的电子产品层出不穷。本文从热设计角度分类阐述。
一、动态可折叠屏平板和手机——Lenovo X1 Fold、Intel Horsehoe Bend、DELL ORI
可折叠屏幕解决的痛点是希望尺寸紧凑、携带方便，又能在必要的时候支持足够大的显示面积。可折叠手机已由华为、柔宇、Samsung发布过，而且陆续都上市了。这一届展会，又有多家公司展示了更多能够动态折叠显示屏的机器。我个人觉得，如果折叠屏完全没有质量隐患，相同价格下，确实更加吸引人。
DELL ORI
Intel Horsehoe Bend
折叠屏最难解的问题当然是如何处理转轴部位，以便实现数以十万次计的折叠。这无疑是结构工程师大展拳脚的地方。下图是Lenovo X1 Fold官方放出的折叠轴原理图。可以看到，目前的折叠功能，更多是通过机械设计完成。实际上，根据华为放出的解读，华为Mate X也是使用类似的结构设计完成的折叠功能。
联想 X1 Fold转轴示意图
折叠屏将内容显示从单个面通过折叠这一操作直接加倍了，从散热角度讲，如何跟得上这个趋势呢？下图是联想X1 Fold内部电路板和散热模组的简图，可以发现几乎和传统散热方案没有任何区别。由于电路板暂未实现折叠，而能够承受数以十万计次数折叠的高导热材料似乎也非常难找，因此，显示屏面积翻倍，完全没能做到让散热能力也有效翻倍。
联想 X1 Fold单板和模组
从热设计的角度分析，张开后的产品表面积增加了，意味着散热面积的增大。但如何能够有效利用这增加出来的面积？一个非常直观的方向是使用高导热的薄膜材料，将各处热路拉通。但实际上，目前无论是石墨膜，还是常用的铜箔、铝箔等金属薄膜，均无法支持数以十万次计的动态折叠。折叠过程中发生的内面受挤压、外面受拉扯的的力学现象在多次循环的过程中，足够将强韧的金属材料损坏。
平板材料在折弯过程中外缘和内侧的受力
克服材料的这个性能限制，是高导热热管理材料在可折叠产品中的巨大挑战。但就目前来看，或许其影响并不是太严苛。
如上图所示，可能是受限于动态折叠技术的不成熟，当前产品可折叠的部位实际上是固定的。因此，只有折叠区才需要考虑受力。当高导热可折叠材料不存在时，无非是左右两侧的热路难以打通，但左右两侧大片的平直区域却依然可用。而可折叠的极限是全折叠，即屏幕任何地方都能够完全卷曲，到那时，如果元器件功耗还比较高，还是没有能够支持动态弯折高导热材料的话，就真的是热设计的灾难了。
就目前来看，即使没有这类材料，展开后的产品散热能力必然也有明显提升，软件-温度的协同控制，来实现展开后不仅显示面积更大，产品功能也会提升是重要手段。简单从设计目标上分析，可折叠产品的热设计将不得不全面考虑两种工况：
闭合状态下的温度控制
张开状态下的温度控制
两者之间热管理方案的兼容
对热设计带来的新挑战：新的软件-温度协同机制，高导热可折叠材料的研究，展开和闭合两种状态下热管理方案的兼容。
二、智能穿戴
如在2019年中国热设计网华南区技术交流会上智能手表散热设计主题的演讲时展示的数据，智能穿戴市场几乎就是腕戴式设备。这一届展会也几乎如此。穿戴展区几乎被手表、手环占满。
智能穿戴展区
手表或手环与上述可折叠式手机、平板的基本理念有所背离。尺寸决定了它的显示面积不可能太大，而集成更多功能又是人们所期盼看到的。实际上，腕戴式设备自动具备了可折叠的概念：表带。而正是因为可折叠材料发展的太慢，以至于表带持续是比较原始的方式出现在智能手表上，表带与主机之间存在一个明显的间隙，以实现转轴式弯折。对于弯折可靠性，这很简单有效，但却使得表带无法用来作为散热部件。
常见智能手表表带和主机之间的连接方式
VR眼镜
智能穿戴产品尺寸紧凑是散热最大的难题。如何在狭小的空间里充分打通热路，是控制温度的核心思想。从这届展会上看，5G在智能手表上尚未开始，绝大多数产品仍旧主打健康和一些基本应用。功能的简陋制约了其蓬勃发展，但许多企业仍旧非常看好这个行业。从CES本届统计的数据看，智能穿戴产品展商数量仅次于智能家居，位居第二。功能的强化可能是智能穿戴下一步的重点方向，而在狭小空间内解决足够多的热量，将有可能成为核心难题。加上防水、轻便、抗摔、防震、安全的基本需求，智能穿戴产品的热管理可能是综合性更强的产品难题，只不过现在由于功能简约，尚未表现出来。
智能穿戴产品展商数量仅次于智能家居，位居第二
三、智能家居
智能家居的范围比较宽泛。这里我包含了电视、音箱和机器人。电视已经是一个传统行业，相比动辄过亿的出货量，小米公司一年出货破千万已经被宣传的神话一般。2019年，荣耀智慧屏的上市，确实从功能层面对电视进行了重新定位，但其形态却基本维持。从热设计的角度讲，我们只关注形态、发热量和温度要求，因此，常规智能电视对散热提出的要求变化并不是很明显。
CES2020上展出的比较多的电视概念是8K，Mini-LED，OLED和QLED（感觉电子产品的蓬勃发展，着实带火了显示屏行业的爆发），而几年前还很火的曲面屏已经基本没了。超清是人们对显示效果的最直观需求，而这更多意味着功耗更大。更薄的机身是设计趋势，连同更高功耗一起，意味着产品热流密度的进一步提升以及散热空间的进一步压缩。LG发布的卷屏电视甚至直接导致只有底部的机舱才有可能用来实施散热措施。
LG的可卷曲电视Signature OLED TV R
从几何形态上来讲，电视的平面方向尺寸/厚度尺寸比手机更加极端，是一种典型的大而薄的产品。薄膜型高导热材料的使用仍然是最合适的策略。
三星Ballie是本届展会上颇具科幻色彩的一个产品。由于能够主动移动，实际上它必须具备自动驾驶（可能比较初级）的功能。为了实现相关的功能，内部包含马达、摄像头、LED灯、AI芯片、电池等多个部件。在这样的一个小尺寸中集成如此多的部件，持续运行时，散热极有可能是一个很严苛的问题。而球形的设计使得散热方案的实施增加了许多限制，正如下文提到的柔宇发布的智能音箱，如何在异形面中处理散热问题，可能是未来智能家居、小型智能机器人面临的共同挑战。
三星Ballie
柔宇发布的换屏智能音箱同样给人相当程度的科幻感。从这届的CES来看，智能音箱已经开始从纯粹的声音识别走向音像同步展示。2019年，小米、百度、腾讯等公司相继发布的音箱，多数也都是带屏设计。
柔宇Mirage智能扬声器
从功能上看，智能音箱正在和电视争夺家庭控制中心的地位，其AI、人脸识别甚至音像播放功能必然会持续提升。从电子产品散热角度来看，智能音箱体积相对较小，且由于音质必须得到保证，最好不要考虑引入风冷。需要注意的一个点是，小尺寸智能音箱在设计散热方案的选材时，充分考虑高导热、迅速回弹、低压应力的界面材料是非常必要的。笔者曾经参与设计的一款智能音箱，因为长期大音量播放视频，且主芯片发热量很大，必须经由导热界面材料接触散热器，其管脚居然在数月后出现了裂痕。经过分析，认定是导热界面材料的不及时回弹加上喇叭带来的振动效应导致的这一失效。
CES2020上展示的智能洗衣机、智能冰箱和智能门锁
智能家居还包括智能冰箱、智能洗衣机、智慧门锁等产品，但由于体积空间较大，通常散热挑战有限，本文略去不表。从电视、机器人和智能音箱的发展趋势来看，热设计面临的主要挑战是如何在小空间且形状怪异的ID造型下设计出合理的热设计方案。而且，由于智能家居产品功能持续演进，过程中可能会出现的与热方案相关的故障可能是前所未见的，需要对结构、材料等有更深入的了解，才能探察及解决。
四、汽车
Sony公司的VISION – S汽车
Vision-S车身内外部署了多达33个传感器元件，可提供全景影像、360音效、全时连接等功能。可以想见，汽车将成为一个集成多种散热问题（摄像头、音箱等）的整体。除此之外，这届展会与汽车相关的技术还有：车载移动支付、更便宜的激光雷达、虚拟遮阳板、智能语音助手、生物识别技术等与智能汽车、自动驾驶等相关的解决方案。汽车正逐渐成为一个移动的智能机器人。
三星发布的智能数字座舱
汽车运行环境复杂，长期在振动环境中使用，且随着智能化的加剧，电子产品失效带来的后果会越来越严重。高可靠性、低失效率的热管理方案越来越关键。随着电子产品的增多，实际上其内部空间并不足够宽大以至于热的问题可以方便地解决。如何将车内电子产品与整车热管理集成到一起，利用车身换热系统对车内电子系统如中控、仪表盘、ADAS系统、行车记录系统等进行温度控制，是整车热管理的一大挑战。
五、快充
充电速率加快，意味着充电功率增加。当充电效率不变时，这等于说是发热功率变高。而解决温度的有效手段是加大体积，但相信没有人喜欢这种手段。充电器的必然趋势是：快速充电，体积还小，温度体验还好。
Anker 30W充电器和Apple 30W充电器体积对比
这三个需求同时满足只有两个方法：1、提高充电转换效率，降低发热量；2、使用储热材料，缓解温度上升。
充电器内部典型结构
从散热的角度上理解，氮化镓的使用提升了充电效率，有助于在相同充电速率的前提下降低发热量。
六、其它一些有趣的电子产品
Razer Eracing Simulator 雷蛇方程式赛车模拟器（感觉像高级街机）
NVIDIA 300W氮化镓充电器（与苹果87W充电器尺寸接近）
智云WEEBILL-S稳定器（稳住手机、运动相机，像是高端自 拍杆）
本田ADC概念车
海信彩色墨水屏5G手机（电子书爱好者的福音）
微星5G电脑主机：MEGAegis Ti5（5G进入台式机领域）
梅赛德斯•奔驰VisionAVTR（主打环保）
智能皮带（功能和运动手环接近）
水下机器人
Climate360智能床（这款产品的核心技术之一就是热管理）
Asics智能鞋（不知道会不会改变一些体育训练方法）
智能浴垫
作者简介：陈继良，仿真秀专栏作者，文章节选自机械工业出版社发行，陈继良老师编著的《从零开始学散热》，点击可订购。
