OPPO K13 Turbo Pro의 액티브 쿨링 설계에 대한 분석 및 연구

다음은 중국 매체의 기사를 번역/ 요약한 것입니다.

원문: https://mp.weixin.qq.com/s/YBa3B4JEaTsURxjesj_KlA

https://mp.weixin.qq.com/mp/wappoc_appmsgcaptcha?poc_token=HFiUI2mjkropaoJYtKABa6tYPJgqPVfQCWdqVyP9&target_url=https%3A%2F%2Fmp.weixin.qq.com%2Fs%2FYBa3B4JEaTsURxjesj_KlA

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최근 오포(OPPO)가 K13 터보 프로라는 새로운 휴대폰을 출시했습니다.

보도에 따르면, 출시 후 많은 주요 제조업체들이 팬 공급업체에 자문을 구하며

"팬 장착 휴대폰" 디자인의 획기적인 발전을 기대했습니다.

 

열 엔지니어로서 저는 아직 이 기기를 직접 사용해 본 적은 없지만 온라인 리뷰를 몇 개 본 후,

방열 설계 관점에서 훌륭한 열 설계 제품에 대한 생각을 공유하고 싶다는 생각이 들었습니다.

 

팬과 결합된 액티브 쿨링은 방열 효율을 직접적으로 향상시킬 수 있을 것처럼 보이지만,

컴팩트한 본체 내에서 팬 크기, 소음 제어, 그리고 전력 소비의 균형을 맞추는 것은 여전히 ​​매우 어려운 문제로 남아 있습니다.

기존 솔루션 중 상당수는 실제 사용 환경에서 "방열을 위해 너무 많은 것을 희생"하는 경우가 많아,

팬 소음이 눈에 띄고, 방열 설계를 적층하는 데 어려움이 있으며, 방수 문제까지 발생합니다.

 

오늘은 이 휴대폰을 예로 들어 휴대폰의 액티브 쿨링에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 외관: 매우 멋집니다. 팬과 통풍구가 있어도 제품의 미관을 해치지 않습니다.

             또한, 팬을 둘러싼 LED 링은 사용자의 취향에 따라 색상을 변경할 수 있습니다.

 

 

2. 뒷면 커버: 분해 과정에서 금속 재질이 아니라는 것을 짐작할 수 있습니다.

                    온라인에서 조사한 결과, 뒷면 커버는 복합 유리 섬유로 제작되었습니다. 

                    복합 유리 섬유 보드의 일반적인 열전도율은 약 0.030~0.045 W/(m·K)입니다.

                    따라서 뒷면 커버 자체만으로는 방열 효과가 거의 없으며 냉각 성능도 상대적으로 낮습니다.

 

 

3. 뒷면 커버를 열면 가장 먼저 보이는 것은 두 개의 흑연 스티커입니다.

    하나는 뒷면 커버에, 다른 하나는 배터리에 붙어 있습니다.

• 후면 커버에 부착된 흑연 시트는 주로 스피커의 방열을 위한 것입니다.
• PCB 기판 커버의 흑연 시트는 배터리까지 확장되어 PCB 기판의 열을 후면 커버로 분산시켜 방열을 돕습니다.
• 저자는 휴대폰에 대한 실제 온도 테스트 보고서를 가지고 있지 않으며, 두 개의 흑연 시트가 방열에 반드시 필요한지 확신하지 못합니다.
• 하지만 뒷면 커버의 소재는 열전도성이 매우 낮기 때문에 이 두 개의 흑연 시트를 부착하면 확실히 효과가 있어 열을 뒷면 커버에 고르게 분산시켜 방열을 돕는 효과를 얻을 수 있습니다.

 

4. 마더보드 구성 요소 및 팬 설계. 팬의 수평 면적은 메인 카메라의 수평 면적과 거의 동일하며,

    팬 LED는 마더보드의 리본 케이블을 통해 후면 커버에 연결되어 조명을 제공합니다.

 

 

5. 팬 제어 기능. 이 팬은 게임이나 고성능 작업 시 수동 시작 및 자동 시작을 포함한 다양한 제어 옵션을 제공합니다.

                         팬을 수동으로 시작 및 제어할 때 팬 속도를 직접 설정할 수 있으며,

                         온도 제어 알고리즘을 지원하여 게임이나 고성능 작업 시 부하에 따라 팬 속도가 동적으로 조절됩니다

 

 

 

6. 팬의 방진 및 방수 설계

공기 흡입구는 작고 둥근 구멍들이 매우 촘촘하게 배열되어 있으며, 개구율은 약 40%로 추정됩니다.

공기 흡입구는 두 겹의 고무 링으로 방수 처리되어 있으며, 공기 배출구 역시 방수 고무 링을 사용합니다.

팬의 전체 공기 흐름 경로는 기기 내부 회로와 교차하지 않으므로 유체는 팬 내부로만 흐를 수 있습니다

(최신 팬은 물에 의해 단락되더라도 타지 않습니다). 이러한 설계는 50kPa의 압력에서도 내부로의 액체 누출을 방지합니다.

 

 

7. PCB 기판을 제거한 후, CPU를 포함한 모든 발열 칩은 구리 호일로 완전히 감싸져 있었습니다.

    중간 프레임과 구리 호일 사이에 서멀 페이스트가 선명하게 보이는데,

    이는 서멀 페이스트가 SoC에서 중간 프레임으로 열을 전달하는 인터페이스 역할을 한다는 것을 나타냅니다.

 

 

1) VC는 미드 프레임 뒤에 위치합니다. 이 설계 때문에 저자는 SoC를 VC에 직접 부착하지 않는 이유가 무엇인지 궁금해합니다.

    이렇게 하면 SoC의 열이 VC로 직접 전달되어 미드 프레임의 열 저항을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

 

저자는 온라인에서 조사를 했는데, 온라인 설명에 따르면 플라스틱 중간 프레임이라고 나와 있었습니다.

완전히 확신할 수는 없었지만, 저자는 중간 프레임의 색상으로 미루어 보아 마그네슘-알루미늄 합금일 가능성이

높다고 추론했습니다.

• 재질이 PC 또는 ABS 플라스틱인 경우, 열전도도는 약 0.2 W/mK입니다.
• 이 열전도도는 매우 낮아 SOC와 VC 사이에 매우 큰 열 저항을 발생시킵니다.
• 마그네슘-알루미늄 합금인 경우, 특정 소재는 AZ31D 또는 AZ91D여야 합니다.
• AZ31D의 열전도도는 76~96 W/mK이고, AZ91D의 열전도도는 51~72 W/mK입니다.
• 플라스틱 프레임보다 열전도도가 훨씬 높지만, 금속 소재 중에서는 여전히 상대적으로 낮은 수준입니다.

2) CPU와 VC 사이의 중간 프레임을 비워 CPU가 중간 프레임에 직접 접촉하도록 하거나,

    제거된 중간 프레임 부분을 Cu C1100으로 교체하면 열 저항이 상당히 낮아질 것입니다.

    저자는 휴대폰 제조업체들이 이런 방식으로 설계할 가능성은 낮다고 추측합니다.

• 스태킹 문제. 중간 프레임의 이 부분이 비어 있다고 가정하면 SoC와 VC가 직접 접촉할 수 없어 큰 틈이 발생합니다.
• 서멀 페이스트를 도포하더라도 열 저항은 여전히 ​​높습니다.
• 비용이 문제입니다. 중간 프레임의 이 부분을 비우고 C1100으로 채우면 비용이 약간 증가합니다.
• 휴대폰 성능을 제한하는 요소는 표면 온도입니다.
• SoC 측의 PCB 온도가 낮아지더라도 표면 온도의 개선 효과는 매우 제한적입니다.
• 과도 성능은 크게 고려되지 않습니다. SOC에서 발생하는 열이 VC로 직접 전달된다면 VC의 방열 성능은 미들 프레임보다 훨씬 뛰어나므로 과도 성능은 확실히 크게 향상될 것입니다.

8. 팬을 제거한 후, 팬과 VC(환기 제어)가 직접 접촉하는 것을 확인했습니다(팬 내부 핀이 VC와 접촉).

   이 때, 그 사이에는 서멀 페이스트가 인터페이스 재료로 사용되었습니다. 팬은 마더보드에 적층되지 않아

   적층 높이가 상당히 줄어듭니다.

  그렇지 않으면 휴대폰이 매우 두꺼워질 것입니다.

  이러한 열 전달 방식은 열 전달 경로를 늘리지만, 적층을 효과적으로 방지하고 방열 성능을 향상하는 동시에

  미적인 요구 사항도 충족합니다.

 

9. PCB 보드와 팬의 앞면과 뒷면을 확인하여 방열판 레이아웃을 확인하면

    팬과 PCB 보드에 4핀 커넥터가 있는 것을 확인할 수 있습니다.

    이러한 유형의 팬은 PWM을 사용하여 속도를 제어하는 ​​것으로 보입니다.

 

10. 중간 프레임을 휴대폰 화면 어셈블리에서 분리한 결과, 휴대폰 화면과 중간 프레임 사이의 연결 부위에

      흑연 시트가 부착되어 있는 것을 확인했습니다.

      또한, 아래 그림과 같이 중간 프레임의 반대쪽에도 흑연 시트가 부착되어 총 5개의 흑연 시트가 사용되었습니다.

 

11. 중간 프레임에서 흑연 시트를 벗겨내면 그 아래에 넓은 VC(진동 용기) 영역이 나타납니다. 

      휴대폰 공식 웹사이트에 따르면 VC의 수평 면적은 7,000mm²로 흑연 시트보다 약간 작습니다.

 

 

휴대폰 제조업체 공식 웹사이트에 따르면, 이 휴대폰은 0.29mm 두께의 VC(코팅 유리)를 사용합니다.

이 두께는 사실상 초박형 VC의 한계입니다.

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VC가 이미 이 분야에서, 그리고 그렇게 넓은 면적에 사용되고 있는데, 왜 여전히 VC에 흑연 시트를 부착해야 할까요? 

• CPU에서 발생하는 열을 VC(열교환기)로 전달하면 VC 자체가 뛰어난 방열 효과를 얻을 수 있습니다.
• 흑연 시트도 좋은 평면 전도도를 가지고 있지만, VC만큼 강력하지는 않습니다.
• 두께 적층에 필요한 세 겹의 흑연 시트를 제거하고 대신 VC(산화구리) 층을 위한 공간을 확보할 수 있다면,
• VC의 두께를 늘릴 수 있습니다. VC 두께를 늘리면 성능이 향상될 뿐만 아니라 가격 경쟁력도 높아질 것입니다.
• 이렇게 하면 흑연 시트가 필요 없게 되고, 흑연 시트의 가격도 절감됩니다.
• 방열 측면에서 흑연 시트를 추가하는 것은 큰 효과가 없을 수 있습니다. 그러나 휴대폰 제조업체에게 부품을 추가하는 것은 광고의 한 형태이자 판매 포인트이기도 합니다. 온라인 홍보 자료를 보면, 이 휴대폰의 판매 포인트는 초박형 VC(진동 제어 패널)와 흑연 시트입니다.

12. 팬 설계 분석: 저자는 팬 샘플을 보유하고 있지 않아 팬 공급업체로부터 샘플을 구하려고 했지만,

                         팬이 기밀 유지 계약 대상이라는 답변을 받았습니다.

                         따라서 저자는 팬 자체나 성능 매개변수를 얻을 수 없었습니다.

                         저자는 자신의 경험을 바탕으로 팬 성능을 평가할 수밖에 없었습니다.

 

1) 팬 본체 디자인: 인터넷에 있는 휴대폰과 팬의 크기를 실제 휴대폰 크기와 비교한 결과,

                            필자는 팬의 길이와 너비가 약 20*15mm, 공기 배출구 크기가 약 12.8*2.3mm라고 대략 추정했습니다.

 

 

공식 웹사이트에 따르면 팬 속도는 18,000rpm입니다.

저자는 주어진 조건을 바탕으로 이 속도에서 최대 풍량과 기압을 각각 0.3cfm과 45Pa로 추정했습니다.

팬 모터 직경이 비교적 커서 풍량이 제한되므로 실제 성능은 제 계산보다 낮을 것입니다.

팬 성능이 제 계산과 일치한다고 가정하면, SoC의 정상 상태 전력 소비량이 1.5~2W 증가할 것입니다( 주변 온도가 25 °C 이고 팬이 최대 45 °C 까지 뜨거운 공기를 불어넣는다고 가정 ).

일반적인 팬리스 스마트폰 SoC의 최대 정상 상태 전력 소비량은 약 4W입니다.

전력 소비량과 성능의 비례 관계를 외삽하면 성능 향상률은 37%~50%가 되어야 합니다.

그러나 OPPO의 공식 발표에 따르면 팬은 스마트폰 성능을 20%만 향상시키므로, 세 가지 가능성이 있습니다.

 

①  더 나은 온도 체감을 제공하기 위해 팬은 공기를 20 ℃로 가열하지 않습니다(예: 주변 온도가 25℃일 때 최대 열풍 온도는 40 ℃입니다. 또는 휴대폰 제조업체는 환경 기준으로 30 ℃, 열풍 기준으로 45 ℃를 사용하는 등 ).

 

② 개별 팬 성능 및 시스템 유로 감쇠에 대한 저자의 평가 오류.

    이 초소형 팬은 저자의 현재 연구에서 기존에 설계된 팬과 크기가 상당히 다르므로 성능 계산 방법의 정확성이 불확실합니다.

   유로 감쇠는 입구 + 핀 + 출구로 구성되며, 실제 감쇠는 실험이나 시뮬레이션을 통해 확인해야 합니다.

   아쉽게도 저자는 팬과 유로의 실제 샘플이나 완전한 3D 도면을 가지고 있지 않아

   시스템 압력 강하 및 유량 손실을 정확하게 평가할 수 없습니다.

 

③  휴대폰 시스템 팬이 18,000rpm에 도달하지 않습니다. 이전보다 훨씬 더 가능성이 높습니다.

     32dBA 미만의 공식 SPL 데이터와 테스터들의 비디오 관찰을 바탕으로, 시동 순간을 제외하면

     주요 소음은 공기 역학적 소음인 것으로 나타났습니다.

     만약 실제로 18,000rpm으로 작동한다면 모터 소음이 매우 두드러질 것이며,

     SPL은 저소음 작동 요건을 충족하지 못할 것입니다.

 

2) 방열 핀 디자인: 0.1mm 두께의 초박형 방열 핀 13개가 불균일하게 배치되어 있습니다.

 

 

아래 이미지를 참조하면, 원심 팬의 공기 흐름 속도는 배기구에서 일정하지 않습니다.

공기 흐름이 많은 영역의 핀 간격을 줄이고 공기 흐름이 적은 영역의 핀 간격을 늘리면 최적의 핀 간격을 활용하여

냉각 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라

두 영역의 공기 흐름 속도도 균형을 맞춰 SPL(가장 느린 공기 흐름 속도)을 줄일 수 있습니다.

 

 

요약:

이 글은 저자의 개인적인 이해를 바탕으로 작성되었습니다. 데이터 부족과 저자가 휴대폰 방열 전문가가 아니기 때문에

일부 평가는 실제 결과와 크게 다를 수 있습니다.

가볍게 읽어주시기 바랍니다.

다음은 휴대폰을 분해한 모습입니다. 전체적인 방열 성능만 고려한다면, 이 휴대폰은 훌륭한 성능을 발휘했다고 할 수 있습니다.

 

• 팬을 켜지 않아도 넓은 VC 면적 덕분에 팬이 없는 휴대폰의 방열 성능 한계에 도달할 수 있습니다.
• 카메라 위치에 팬을 설치하면 디자인이 나빠지는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 방열 용량도 더욱 증가합니다.

저자는 해당 모델이 방열 성능이 뛰어나다고 생각하며, 팬을 더 크게 만들지 않는 한

정상 상태 열 설계 성능을 더욱 향상시킬 가능성은 거의 없다고 생각합니다.

 

공식 홈페이지에서는 이 휴대폰의 이미지 품질과 온도를 다른 휴대폰과 비교하고 있습니다.

 

 

저자가 찾아낸 벤치마크 비교는 다음과 같습니다. 여기에는 팬을 끄고 켠 휴대전화와 팬을 켠 휴대전화가 나와 있습니다.

 

 

 

온도와 벤치마크 결과를 보면, 휴대폰의 능동적 방열 성능 향상이 확연히 드러납니다.

저자는 이 휴대폰의 방열 설계가 훌륭하지만, 일부 방열 문제는 불가피하며,

이러한 우려 사항 중 일부를 본 기사에서 언급했습니다. 그러나 저자는 모든 제품은 타협의 산물이며

대가 없이는 완벽할 수 없다고 생각합니다.