促進強固型物聯網運算之成本效益

March 7, 2018 Patrick Mannion

物聯網應用的設計師總是不斷面臨壓力,一方面要超越一般消費性系統對強韌度、空間、效能和可靠性的要求,一方面要顧及成本效益。從頭開始設計並滿足所有這些需求須付出昂貴成本,所以選擇電腦用的高效能主機板,並把它安裝在精心設計的機殼中,搭配有效的散熱管理、靜電干擾/靜電放電防護和 I/O 連接埠設計,是實現物聯網不錯的替代選擇。除了節省成本和縮短開發時間以外,隨著新款處理器面市及應用的要求越來越高,這種方法還可以提升擴充能力。適合這種替代方法的運算平台之一,是 Next Unit of Computing (NUC) 外型規格。這款主機板採用最新 Intel 處理器而具有擴充能力,能滿足空間和效能要求。只要在機殼設計和散熱方面稍加留意,它可以隨時轉換成相對低成本的強固型物聯網運算平台。以下例子中可以看到 Logic Supply 如何搭配它開發出適用於物聯網的強固型機殼,並讓它過程中保持美觀。

NUC 兼顧空間與可擴充效能

Intel® NUC 主機板,例如 NUC7i3DNBE 是在 4×4 寸的小巧體積中結合高效能運算的設計(圖 1)。它使用最近發佈的 Intel® CoreTM i3-7100U (Kaby Lake) 處理器搭配 Intel® HD Graphics 620,其熱設計功耗 (TDP) 是 15 W 並使用入焊入式 BGA 封裝,讓產品更堅固耐用。

圖 1. Intel® NUC 主機板例如 NUC7i3DNBE 能滿足工業應用對空間、效能和擴充能力的要求,但是必須經過修改,才能克服工業、招牌、物聯網和環境與可靠性方面的挑戰。(資料來源:Intel)

再加上一些功能特性,例如使用直接用螺絲固定在主機板的 SSD 記憶體、介於攝氏 0˚ 至 55˚ 之間的操作溫度、預設風扇和塑膠機殼,NUC 一般而言已足夠應付消費級和工作站應用。但是,消費級和工業界的使用模式與設計要求之間卻有極大差距。儘管消費者可以忍受,甚至有者享受打開電腦系統來切換元件、排解難題,以及在系統過熱時願意等待系統散熱,工業和物聯網應用卻是另一回事。「對我們的客戶而言,停機時間會抹煞一切。」強固型電腦系統供應商 Logic Supply Inc. 的產品經理 JP Ishaq 表示。許多客戶把電腦放在天花板上面、櫥櫃內或工作檯下方。「他們不想看到電腦,而且尤其不想因為過熱而打開電腦。」他說。

工業和物聯網適用的強固型 NUC

儘管 NUC 在大小、連線能力、功能和效能方面,包括 HD 媒體功能,均已到達適當平衡,但是下一個目標是讓它滿足工業領域客戶的需求。換言之,就是盡可能移除最多故障點。這從移除風扇開始,風扇通常是最便宜的元件,它會累積灰塵並阻塞系統,吸入金屬碎屑以及故障或短路。Ishaq 說:「我們要把它完全移除,我們想要完全固態的解決方案。」他表示,最重要的是,必須移除所有通風口,而且務必減少 I/O 連接埠或是封閉起來避免濕氣、灰塵和靜電干擾。移除風扇後,Logic Supply 便著重採用先進的散熱器和機殼設計進行被動式冷卻,確保內部溫度盡可能降低。「有些人可能把主機板拿來,直接裝上散熱器,然後放到機殼中。」Ishaq 說道。他們並不這樣,他補充道:「我們嘗試並確保我們使用定制的散熱解決方案,以便盡量排出處理器的熱度,讓它有更多透氣的空間。」

以這種概念設計出來的產品例如 ML100-G-31,外觀相當有特色(圖 2)。「但是它的功能也非常非常出色。」Ishaq 說道。「我們的確相信形隨機能的原則,但是其他條件都相等的情況下,我們也可以讓它看起來更美觀。」Logic Supply 亦提供遮蓋或封閉通風口以及在機殼上增加品牌的選項。

圖 2. ML100-G-31 包含定制的散熱器設計,也提供遮蓋或封閉通風口的選項。(資料來源:Logic Supply Inc.)

散熱器的設計取決於客戶的應用要求,例如可用空間和操作環境。但是所有設計均須採用高品質且導熱佳的鋁材,結合良好均勻的接觸,還要利用良好的壓接使它固定就位。「有些散熱器解決方案搭配熱昇華和熱管後變得十分複雜,但是我們努力把它簡化,消除所有間隙,讓它變得簡單且緊密結合在一起。」Ishaq 說道。雖然 NUC 平台採用最新的 Intel 處理器,可依照使用者的應用需求擴充,但是相對於之前的 Sky Lake 和 Broadwell 實作,Kaby Lake 系列產品必須額外修改散熱器的設計。例如,團隊把更多散熱器的元件放到主機板上。「一般上,我們會盡量減少主機板的接觸點,讓它只接觸 CPU,但是我們也把某些接觸點放到調節器。」Ishaq 表示。團隊使用散熱片直接與調節器接觸,然後把散熱器延伸到散熱片之上。「實施新的解決方案後,額定溫度有了攝氏 10 至 15 度的改善。」Ishaq 說道。成功的秘訣在於過量測試,但是指定規格時較保守。這表示要讓所有元件,從 CPU 到記憶體和 Wi-Fi 或其他網路連線,均達到最大值。Logic Supply 也採用 EN 50155 一類標準進行測試,這是鐵路適用之電子設備標準,會測試溫度、濕度、衝擊和振動。該公司甚至會實施減震,以便在必要時避免主機板受到過大的重力。Ishaq 指出,Logic Supply 也會採用標準的 ML100-G-31 強化機殼,並遮蓋連接埠,或是使用消費者一般不會使用的連接埠,包括 COM 連接埠和數位 I/O。為了解決靜電干擾的問題,團隊確保連接埠周邊的墊圈緊實,並避免使用基本背板。

工業和物聯網適用的強固型 NUC

雖然工業和物聯網應用對效能、擴充能力、佔用空間和可靠性的要求通常會增加成本,但是這並不是必然的。選擇外型規格合適的主機板,加上可擴充的處理器和合適的定制散熱器與機殼設計專家的支援,最終的解決方案可滿足設計和環境的要求,不但準時完成,而且不超出預算。

作者簡介

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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