KVM-GO
Термическое исправление KVM-Go DP/VGA — инженерный журнал
- KVM-Go
- Thermal
- Engineering Log
- Product Design
Запись 1: Момент, когда мы поняли, что это не «нормально тепло»
В середине разработки KVM-GO мы увидели температурное поведение, которое не соответствовало типичным ожиданиям «маленькое устройство нагревается». Он появился только в двух вариантах: DisplayPort (DP) и VGA. Вариант HDMI оправдал ожидания.
Сначала симптом был простой. Температура в корпусе стала некомфортной раньше, чем ожидалось. Нас беспокоил не комфорт. Вполне возможно, что внутренние температуры были намного выше тех, которые должны выдерживать компоненты потребительского класса с течением времени.
Запись 2: Почему только DP и VGA
После отслеживания конструкции видеотракта в разных версиях выявилась закономерность.
- HDMI: один этап преобразования (HDMI в USB-видео) с использованием MS2130S.
- DP: двухчиповая цепочка (IT6563 плюс MS2130S) для преобразования DP в USB-видео.
- VGA: двухчиповая цепочка (MS9288C плюс MS2109S) для преобразования VGA в USB-видео.
Две микросхемы не просто добавляют детали. Они добавляют рассеиваемую мощность и локализуют горячие точки. В продукте такого размера, как KVM-GO, этим горячим точкам очень мало места для распространения.
Затем мы столкнулись со вторым ограничением — площадью поверхности. KVM-GO доводит размер до предела, а это означает, что площадь печатной платы и эффективная площадь рассеивания тепла очень малы.
Наконец, появилось ограничение по компоновке, которое превратилось в настоящий инженерный компромисс. Размещение обоих горячих чипов на одной стороне кажется идеальным с точки зрения термической точки зрения, но требования к распиновке и высокоскоростной разводке усложнили этот подход. Размещение еще одного чипа «внутри» упростило маршрутизацию и помогло обеспечить целостность сигнала, но при этом удерживало тепло внутри корпуса.
Оригинальная разводка печатной платы
Оригинальная высокоскоростная маршрутизация
Схема внутреннего стека KVM-GO
Запись 3: Измерение того, что важно: внутренняя и внешняя температура
Мы решили перестать гадать и оценить обе стороны проблемы. Мы построили точки измерения температуры для внешнего и внутреннего мониторинга, а затем провели длительное тестирование под нагрузкой.
Результат был тревожным, особенно на VGA.
Примерно через час непрерывной работы:
- внешняя поверхность достигла температуры около 65°C
- внутренняя температура достигла максимума около 115°C
Многие потребительские компоненты рассчитаны на максимальную рабочую температуру около 85°C, в зависимости от конкретной детали и марки. Трехзначные значения внутренней температуры означали, что мы имеем дело не просто с «горячим на ощупь». Мы искали что-то, что могло бы сократить срок службы продукта или вызвать непредсказуемое поведение в различных средах.
Испытание базовой температуры (внутреннее и внешнее)
Запись 4: Быстрая проверка работоспособности, принудительный поток воздуха работает (но это не решение продукта)
Прежде чем что-либо перепроектировать, нам нужна была быстрая проверка. Если мы сможем отводить тепло быстрее, снизится ли температура существенно?
Мы попробовали простую установку принудительной вентиляции с использованием вентилятора, сделанного своими руками. Он сделал то, что говорит физика. Температура заметно упала, в нашем тесте примерно на 15°C. Это подтвердило, что проблема заключалась в тепловом месте, а не в артефактах измерений или поведении программного обеспечения.
Это также подтвердило кое-что еще. Вентилятор несовместим с продуктом, который мы создаем. KVM-GO должен оставаться компактным, бесшумным и автономным. Таким образом, принудительный поток воздуха стал диагностическим инструментом, а не окончательным ответом.
Установка вентиляторного охлаждения своими руками
Вентиляторное охлаждение своими руками, альтернативный вид
Температурный тест с вентиляторным охлаждением
Запись 5: Исправьте шаг 1, переместите источники тепла наружу (не нарушая целостность сигнала)
Первое настоящее исправление было на печатной плате. Мы максимально продвинули дизайн, разместив оба тепловыделяющих чипа ближе к внешней стороне.
Это не было «просто переместить части». При использовании DP и VGA ограничения маршрутизации жесткие. Поддержание чистоты высокоскоростных сигналов, особенно дифференциальных пар, не подлежит обсуждению. Размещение обоих чипов наружу усложнило маршрутизацию, и нам пришлось работать осторожно, чтобы не ухудшить целостность сигнала.
Мы сравнили старую и новую компоновку и маршрутизацию, а затем создали оборудование для проверки поведения.
Изменена компоновка печатной платы (микросхемы выдвинуты наружу)
Пересмотренная маршрутизация (проход 1)
Пересмотренная маршрутизация (ключевая область)
Пересмотренная плата, созданная для проверки
Что изменилось после шага 1
Термические характеристики улучшились, но мы обнаружили проблему второго порядка. Температура по-прежнему не передавалась эффективно в корпус. Некоторые области оставались более горячими, чем следовало бы, и тепловизионное исследование показало, что корпус не действует как надлежащий рассеиватель тепла.
Шаг 1 снизил пиковое тепловое напряжение, но не полностью решил проблему теплового пути.
Температура после изменения планировки (шаг 1)
Проверка теплопередачи корпуса (после шага 1)
Запись 6. Исправьте шаг 2, создайте настоящий тепловой путь (алюминиевые блоки с ЧПУ и термоинтерфейс)
На этом этапе мы рассматривали корпус как часть тепловой системы, а не просто крышку.
Мы добавили:
- Алюминиевые блоки с ЧПУ на верхнем и нижнем стеке печатных плат
- материал термоинтерфейса (термопаста или прокладка) для передачи тепла в алюминий, а затем в алюминиевый корпус.
Цель была проста. Увеличьте эффективную площадь распространения тепла и создайте стабильный путь с низким сопротивлением, по которому тепло будет достигать корпуса, где оно сможет безопасно рассеиваться.
Термоблок ЧПУ (шаг 2)
Детали установленного блока ЧПУ
Окончательный результат после шага 2
После добавления пути проводимости:
- внешняя температура стабилизировалась около 65°C
- внутренняя температура упала примерно до 55°C
Тепловидение показало то, что мы хотели увидеть. Распределение тепла стало более равномерным, и корпус, наконец, начал рассеивать тепло, а не накапливать его внутри.
Температура после проведения ЧПУ (шаг 2)
Температура корпуса после проведения ЧПУ
Заключительное примечание
Вывод из этой проблемы заключался не просто в том, что «DP и VGA нагреваются сильнее». Многоступенчатое преобразование требует больше энергии, и это ожидаемо. Настоящий урок заключался в том, что в таком маленьком устройстве то, куда уходит тепло, имеет такое же значение, как и то, сколько тепла выделяется.
Шаг 1 (макет) снизил серьезность внутренних горячих точек.
Шаг 2 (механический путь проводимости) сделал решение долговечным и пригодным для продукта.
Никакого вентилятора, никаких особых действий со стороны пользователя, просто конструкция, которая ведет себя предсказуемо.