让安全可靠的物联网计算变得经济高效

March 7, 2018 Patrick Mannion

物联网应用的设计人员一直承受着巨大压力,他们必须以经济高效的方式来满足超出典型消费系统要求的坚固性、空间、性能和可靠性要求。从头开始设计以满足所有这些要求可能需要高昂成本,因此物联网的一种绝佳替代途径就是为 PC 配备高性能主板,将其置于精心设计的机箱中,并提供高效的散热管理、EMI/ESD 保护和 I/O端口设计。除了节省成本和缩短开发时间外,随着新处理器的出现以及应用要求变得越来越严苛,这种方法也能支持可扩展性。适合使用这种替代方法的计算平台的一个示例就是外形小巧的 Next Unit of Computing (NUC) 电脑。该主板可通过最新的英特尔处理器进行扩展,从而满足空间和性能要求。只要对机箱设计和散热性能予以一定程度的重视,即可轻而易举地将其转变成坚固耐用、相对便宜的物联网计算平台。下文将介绍 Logic Supply 如何围绕物联网开发坚固耐用的机箱,并始终保持靓丽外观。

NUC 让空间和可扩展性能实现平衡

英特尔® NUC 主板(例如 NUC7i3DNBE)专为将高性能计算组合在小巧的 4×4 英寸空间内而设计(图 1)。它使用最近推出的英特尔® 酷睿TM i3-7100U (Kaby Lake) 处理器,后者采用英特尔® 核芯显卡 620,其热设计功耗 (TDP) 为 15 W,并采用焊接式 BGA 封装来实现坚固耐用。

图 1. 英特尔® NUC 主板(例如 NUC7i3DNBE)可满足工业应用的空间、性能和可扩展性要求,但需要进行修改才能满足工业、标牌、物联网以及环境和可靠性挑战。(资料来源:英特尔)

添加各种功能,例如使用直接拧到主板上的固态盘内存、0˚ 到 55˚C 的工作温度范围、默认风扇和塑料机箱,而且 NUC 通常足够坚固耐用,可满足消费级和工作站应用的要求。但是,消费级和工业使用模式与设计要求之间存在很大差距。消费者可以容忍甚至是享受打开计算机系统来更换组件、排除问题的过程,并且会耐心等待系统冷却下来(如果系统过热)。但工业和物联网应用却并非如此。“对于我们的客户来说,宕机是一件棘手的事情,”加固型计算机系统提供商 Logic Supply Inc. 的产品经理 JP Ishaq 说道。许多客户都会将他们的电脑安装在天花板上方,或者放在橱柜或工作台下面。“他们甚至不想看到电脑,更不用说因为系统过热而打开它了,”他说道。

面向工业和物联网的加固型 NUC

虽然 NUC 在尺寸、连接性、功能和性能(包括高清媒体功能)方面达成了合理平衡,但下一步是要使其满足工业领域客户的需求。这意味着需要尽可能多地消除故障点。这个过程从取缔风扇开始,风扇往往是最便宜的组件,但可能会有灰尘透过风扇进入并堵塞系统,或者是有金属屑进入,导致系统出现故障或短路。“我们希望完全取缔风扇,”Ishaq 说道。“我们需要一个完全固态的解决方案。”最重要的是,他表示必须消除所有通风口,并减少或密封 I/O 端口以防止湿气、灰尘和 EMI 进入。在取缔风扇后,Logic Supply 专注于采用先进散热器和机箱设计的被动式散热技术,旨在让系统内部尽可能保持低温。“有些公司可能会在主板上安装一个散热器,并将其置于机箱内。”Ishaq 说道。他补充说道:“我们会尝试不同的做法,确保使用定制的散热解决方案来最大限度地提高处理器的散热量,以便为其提供充足的散热空间。”

这让 ML100-G-31 之类的设计具有非常有趣的外观(图 2)。“它还具有非常强大的功能。”Ishaq 说道。“我们认为功能第一、外形第二,但所有事情都是平等的,我们还要让它拥有靓丽外观。”Logic Supply 还包括了用于屏蔽或密封通风口以及在机箱上添加品牌信息的选项。

图 2. ML100-G-31 包含定制的散热器设计和用于屏蔽或密封通风口的选项。(资料来源:Logic Supply Inc。)

散热器的设计取决于客户的应用要求,例如可用空间和操作环境。但它们都涉及到使用具有良好放射率的高质量铝材,并结合了可实现稳定接触的良好热性能以及使其保持就位的理想压力。“有些散热器解决方案的热升华和热导管非常复杂,但我们试着让它保持非常简单,而且无任何间隙,能够紧密地安装在一起。”Ishaq 说道。虽然 NUC 平台允许用户使用最新的英特尔处理器根据应用需求进行扩展,但相对于之前的 Sky Lake 和 Broadwell 实施,Kaby Lake 系列确实要求对散热器进行一些额外的修改。例如,该团队将更多散热器元件放在主板上。“通常,我们会尽量减少主板与 CPU 的接触,但是我们也会让某些组件与调节器接触。”Ishaq 说道。该团队使用散热垫直接接触调节器,然后将散热器延伸到散热垫以外。“采用新解决方案后,在额定温度上我们实现了 10˚ 至 15˚C 的温降。”Ishaq 表示。成功的秘诀就是广泛试验,并以保守的态度指定规格。这意味着需要充分利用所有组件 — 从 CPU 到内存以及 Wi-Fi 或其他网络连接。Logic Supply 还根据铁路电子设备标准(例如 EN 50155)进行测试,并且会对温度、湿度、冲击和振动进行测试。该公司甚至会根据需要进行减振设计,以防止主板承受过大的重力。Logic Supply 还将采用标准 ML100-G-31 坚固机箱,并屏蔽端口或拆下消费者通常不会使用的端口,包括 COM 端口和数字 I/O。Ishaq. 表示,为了解决 EMI 问题,该团队会确保端口周围的垫圈紧凑并避免使用基本背板。

面向工业和物联网的加固型 NUC

虽然性能、可扩展性、尺寸和可靠性要求通常意味着工业和物联网应用的成本高企,但并非总是如此。在可扩展处理器和定制散热器及机箱设计专家的支持下,通过选择具有合适外形的主板,该终端解决方案可以及时并在预算内满足设计和环境要求。

作者简介

Patrick Mannion

Patrick Mannion is a independent content developer and consultant who has been analyzing developments in technology for more than 25 years. Formerly Brand Director for EETimes, EDN, Embedded, Planet Analog, and Embedded.com, now part of AspenCore, he has also been developing and executing community-oriented online- and events-based engineer-to-engineer learning platforms. His focus is on connecting engineers to find novel design solutions and focused skills acquisition in the areas of Embedded, IoT, Test and Measurement, RF/Wireless, and Analog & Mixed-Signal Design.

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