Optymalizacja termiczna położenia elementów elektronicznych w interfejsie wizyjno-akustycznym systemu wspomagania niewidomego w samodzielnym poruszaniu się

W artykule omówiono zagadnienie optymalizacji rozmieszczenia komponentów układu elektronicznego celem minimalizacji temperatury podczas jego pracy. Optymalizacja została przeprowadzona na przykładzie sprzętowego interfejsu wizyjno-akustycznego systemu wspomagania niewidomego w samodzielnym poruszaniu się. Rozmieszczenie komponentów na zadanym obszarze płytki PCB zostało zoptymalizowane przy użyciu opracowanego przez autorów algorytmu ewolucyjnego składającego się z dwóch etapów obliczeń [1]. W wyniku zastosowania algorytmu uzyskano rozmieszczenie komponentów, dla którego tak maksymalna, jak i średnia temperatura płytki PCB nie powodują dyskomfortu dla użytkownika. Pomiary termowizyjne potwierdzają poprawność uzyskanych wyników.

The paper deals with the problem of optimal electronic component placement on a PCB in order to obtain the lowest possible, given the design limitations, maximum and average electronic circuit temperatures. The optimization is applied to an exemplary electronic device, which is a video-and-sound interface of the system assisting the blind in independent mobility. The majority of optimization algorithms is based on large-scale sparse matrix calculations. The authors propose an alternative approach, using an original idea of an evolution algorithm [1]. The algorithm is implemented in Delphi 7 programming language and utilizes the ANSYS 11 modeling environment for temperature calculations. The device to be optimized contains a stereovision camera system, a set of inertial sensors, a microcontroller, a sound adapter and a USB hub for a mobile computer data exchange (Fig. 1). The prototype has a form of glasses with integrated inter-aural headphones (Fig. 2). The device dissipates 3.1 W of heat during its operation, with the USB hub and LDO voltage regulator identified as the hottest spots. The cameras also emit considerable amounts of heat, they are however excluded from the placement optimization, due to their exact position requirement. The PCB was modeled with a 2D 1mm grid applied to a simplified representation of the PCB actual shape (Fig. 3). The algorithm required 194 iterations to return an optimal placement (Fig. 4) with average PCB temperature approx. 22°C, the hottest spot not exceeding 35°C. Such a temperature level allows the video-and-sound interface to be operated with no compromise on user’s safety and comfort. The device was re-designed, built and tested according to the obtained optimal component placement. The thermal imaging measurements (Fig. 5) are in good accordance with the temperature calculation results from the algorithm.