vr/ar一体机是将独立运算系统、光学显示系统、音频系统、感知交互系统高度集成在一体空间的头戴式智能装备。在逐渐智能化发展的同时,也在向轻薄化、高性能和多功能方向发展。性能越来越强大,集成度和组装密度不断提高,导致其工作功耗和发热量的增大。
vr集成化发展趋势
1. 更高的频率和性能:为实现画面流畅度和及时性;
2. 更大更清晰的光学显示:光学和显示组件涉及图像处理和传输,随着fov和画面清晰度不断增加,产热量大;
3. 感知交互方案设计:vr/ar设备需要更多的集成语音交互、声场设计、手势交互、面部识别、see-through、6dof等方案设计。
散热问题成为ar/vr整机设计的痛点之一。如果不能及时散掉热量,会导致gpu、传感器、显示屏、芯片温度过高,造成系统出现游戏场景拖尾现象,降低体验感;同时ar/vr是佩戴在面部和眼部的设备,如果散热性能不好,也会影响用户的佩戴体验。
ar/vr热管理方案
根据工作原理的不同,热管理材料可分为主动式(有源式)和被动式(无源式)两种。在消费电子中,常用的主动散热器件是风扇。
被动散热普遍采用热传导或热辐射原理,主要依靠发热体或散热片进行降温。被动散热方式的散热片包括石墨散热膜、石墨烯膜、热管和均热板等。
为有效传导热量,发热器件和散热器件之间往往需要热界面材料的使用。
图源:艾邦智造
散热风扇
散热风扇采用的是热对流原理,对发热器件进行强制散热,特点是效率高,但需要其他能源辅助,且有噪音产生。
石墨散热片
石墨散热片在消费电子散热中应用最为广泛。石墨具有特殊的六角平面网状结构,可以将热量均匀地分布在二维平面并有效地转移。石墨具备良好的水平导热、垂直阻热效果。在水平方向上,石墨的导热系数为300-1900w/(m·k);在垂直方向上,石墨的导热系数仅为5-20w/(m·k)。由于石墨密度低,因此可以做到轻量化,能平滑粘附在任何平面和弯曲的表面,提升散热效率。
石墨烯
石墨烯是已知的导热系数最高的物质,理论导热率达到 5300w/m·k,远高于石墨。它是由单层碳原子经电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维晶体,厚度仅为 0.335nm,又称为单层石墨,是碳纳米管、富勒烯的同素异形体。缺点是产能小,价格高。
热管和均热板
热管和均热板(vapor chamber,vc)利用了热传导与致冷介质的快速热传递性质,导热系数较金属和石墨材料有10倍以上提升,作为新兴的散热技术方案,近年来开始获得广泛应用。热管的导热系数范围为 10000-100000w/m·k,是纯铜膜的 20 倍,是多层石墨膜的 10 倍。均热板作为热管技术的升级,进一步实现了导热系数的提升。
导热界面材料
热界面材料主要分为导热硅脂、导热硅胶和导热凝胶三大类。导热界面材料应用于系统热界面之间,通过对粗糙不平的结合表面填充,使通过的热阻变小,来提高组件的散热效率。
液态金属导热剂是新型的导热界面材料,相比传统硅脂拥有更高的导热系数和耐用性,能够更好地渗透到cpu和散热模组之间的缝隙中,达到更好的填充效果。缺点是贵,液态金属导热剂具有导电性,一旦泄露到主板上便会造成不可挽回的后果,且无法应用于铝质散热器上。
实际应用场景中,热管理材料及器件往往需要组合使用。ar眼镜受限于更高的轻薄化需求,一般采用自然冷却被动散热,vr一体机更有更大的空间和更高的功耗,采用风冷主动散热和被动散热结合的方式。
如meta quest pro采用的是双风扇+扁铜管的散热方案,在摄像头周围也填充了导热膏。
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