KVM-Go DP/VGA Thermal Fix – Engineeringlogboek

Entry 1: Het moment dat we ons realiseerden dat het niet “normaal warm” was

Halverwege de ontwikkeling van KVM-GO zagen we thermisch gedrag dat niet voldeed aan de typische verwachtingen van ‘klein apparaat wordt warm’. Het verscheen slechts op twee varianten, DisplayPort (DP) en VGA. De HDMI-variant bleef binnen de verwachtingen.

In eerste instantie was het symptoom eenvoudig. De temperatuur in de behuizing werd eerder oncomfortabel dan verwacht. Wat ons zorgen baarde was geen troost. Het was mogelijk dat de interne temperaturen ver boven de waarden lagen die consumentencomponenten in de loop van de tijd zouden moeten verdragen.

---

Punt 2: Waarom alleen DP en VGA

Nadat ik het ontwerp van het videopad in verschillende versies had gevolgd, kwam er een patroon naar voren.

• HDMI: een enkele conversiefase (HDMI naar USB-video) met behulp van MS2130S
• DP: een keten met twee chips (IT6563 plus MS2130S) om DP naar USB-video te converteren
• VGA: een keten met twee chips (MS9288C plus MS2109S) om VGA naar USB-video te converteren

Twee chips voegen niet alleen onderdelen toe. Ze voegen stroomdissipatie en gelokaliseerde hotspots toe. In een productformaat als KVM-GO hebben deze hotspots heel weinig ruimte om zich te verspreiden.

Toen kwamen we de tweede beperking tegen: oppervlakte. KVM-GO drijft de afmetingen tot het uiterste, wat betekent dat het PCB-oppervlak en het effectieve warmteverspreidingsgebied beide klein zijn.

Ten slotte was er een lay-outbeperking die uitgroeide tot een echte technische afweging. Het plaatsen van beide hot chips aan dezelfde kant klinkt thermisch gezien ideaal, maar de vereisten voor pinout en hogesnelheidsroutering maakten die aanpak moeilijk. Door één chip meer “binnenin” te plaatsen, werd de routering vereenvoudigd en werd de signaalintegriteit bevorderd, maar de warmte bleef binnenin de behuizing vastzitten.

Originele PCB-indeling

Originele hogesnelheidsroutering

KVM-GO interne stapelindeling

---

Punt 3: Meten wat er toe doet, interne versus externe temperatuur

We besloten te stoppen met gissen en beide kanten van het probleem te meten. We bouwden temperatuurmeetpunten voor externe en interne monitoring en voerden vervolgens een langdurige werkbelastingstest uit.

Het resultaat was alarmerend, vooral op VGA.

Na ongeveer een uur aanhoudend gebruik:

• buitenoppervlak bereikte ongeveer 65°C
• interne temperatuur piekte rond 115°C

Veel consumentencomponenten zijn geschikt voor maximale bedrijfstemperaturen rond de 85°C, afhankelijk van het exacte onderdeel en de kwaliteit. Het zien van driecijferige interne temperaturen betekende dat we niet alleen te maken hadden met ‘heet om aan te raken’. We keken naar iets dat de levensduur van een product zou kunnen verkorten of onvoorspelbaar gedrag in verschillende omgevingen zou kunnen creëren.

Basistemperatuurtest (intern versus extern)

---

Punt 4: Een snelle controle van de gezondheid, geforceerde luchtstroom werkt (maar dat is geen productoplossing)

Voordat we iets opnieuw gingen ontwerpen, wilden we een snelle validatie. Als we warmte sneller kunnen afvoeren, dalen de temperaturen dan betekenisvol?

We hebben een eenvoudige opstelling met geforceerde lucht geprobeerd met behulp van een doe-het-zelfventilator. Het deed wat de natuurkunde zegt dat het zou moeten doen. De temperaturen daalden merkbaar, ongeveer 15°C in onze test. Dat bevestigde dat het probleem eerder een thermisch knelpunt was dan meetartefacten of softwaregedrag.

Het bevestigde ook nog iets anders. Een ventilator is niet compatibel met het product dat we bouwen. KVM-GO moet compact, stil en autonoom blijven. Dus geforceerde luchtstroom werd een diagnostisch hulpmiddel, niet het definitieve antwoord.

DIY-installatie voor ventilatorkoeling

DIY-ventilatorkoeling, alternatieve weergave

Temperatuurtest met ventilatorkoeling

---

Punt 5: Repareer stap 1, verplaats warmtebronnen naar buiten (zonder de signaalintegriteit te onderbreken)

De eerste echte oplossing zat op de printplaat. We hebben het ontwerp zo ver mogelijk doorgevoerd om de beide warmtegenererende chips dichter bij de buitenkant te plaatsen.

Dit was niet ‘gewoon de onderdelen verplaatsen’. Met DP en VGA zijn de routeringsbeperkingen krap. Het schoonhouden van de hogesnelheidssignalen, vooral de differentiële paren, is niet onderhandelbaar. Door beide chips naar buiten te plaatsen, werd het routeren moeilijker, en we moesten voorzichtig te werk gaan om te voorkomen dat de signaalintegriteit zou afnemen.

We vergeleken de oude met de nieuwe lay-out en routing en bouwden vervolgens hardware om het gedrag te verifiëren.

Herziene PCB-indeling (chips naar buiten verplaatst)

Herziene routing (pas 1)

Herziene routing (belangrijk gebied)

Herziene printplaat, gebouwd voor validatie

Wat is er veranderd na stap 1

De thermiek verbeterde, maar we ontdekten een probleem van de tweede orde. De temperatuur werd nog steeds niet effectief naar de behuizing overgebracht. Sommige gebieden bleven warmer dan zou moeten, en thermische beelden suggereerden dat de behuizing niet als een goede warmteverspreider functioneerde.

Stap 1 verminderde de piekhittestress, maar loste het hittepad niet volledig op.

Temperatuur na indelingswijziging (stap 1)

Shell warmteoverdrachtcontrole (na stap 1)

---

Punt 6: Repareer stap 2, bouw een echt warmtepad (CNC aluminium blokken plus thermische interface)

Op dit punt hebben we de behuizing behandeld als onderdeel van het thermische systeem, en niet alleen als afdekking.

Wij hebben toegevoegd:

• CNC-aluminiumblokken op de bovenste en onderste PCB-stapel
• thermisch interfacemateriaal (thermisch vet of kussen) om warmte in het aluminium en vervolgens in de aluminium behuizing te koppelen

Het doel was eenvoudig. Vergroot het effectieve warmteverspreidingsoppervlak en creëer een stabiel pad met lage weerstand waardoor de warmte de behuizing bereikt, waar deze veilig kan worden afgevoerd.

CNC thermisch blok (stap 2)

CNC-blok geïnstalleerd detail

Eindresultaat na stap 2

Na het toevoegen van het geleidingspad:

• buitentemperatuur gestabiliseerd rond 65°C
• de interne temperatuur daalde tot ongeveer 55°C

Thermische beeldvorming liet zien wat we wilden zien. De warmteverdeling werd gelijkmatiger en de behuizing nam uiteindelijk deel aan het afvoeren van de warmte in plaats van deze intern te laten ophopen.

Temperatuur na CNC-geleiding (stap 2)

Shell-temperatuur na CNC-geleiding

---

Slotnoot

De conclusie van dit probleem was niet simpelweg: “DP en VGA worden heter.” Meertrapsconversie kost meer vermogen en dat deel wordt verwacht. De echte les was dat bij zo’n klein apparaat de plek waar de warmte naartoe gaat net zo belangrijk is als hoeveel warmte er wordt gegenereerd.

Stap 1 (indeling) verminderde de ernst van de interne hotspot.
Stap 2 (mechanisch geleidingspad) maakte de oplossing duurzaam en productgeschikt.

Geen ventilator, geen speciale gebruikersbediening, alleen een ontwerp dat zich voorspelbaar gedraagt.