ASI224摄像头的散热改造【上下篇】

上篇被动散热降噪

因抗疫封闭在家。无所事事。看到以前一老外改造Q5散热性能的文章，受到启发，就开始鼓捣起我的摄像头。那个老外在老式Q5的cmos背后加了一块1cm3的铝块做被动散热，结果把cmos的工作温度降低了10度，要知道，几乎所有半导体都有一个共性，那就是随着温度的上升而噪音呈指数上升趋势。每上升5摄氏度，噪音就会翻番，降了10度。噪音就减到四分之一。这样的效果还是非常吸引人的。

下面是他打开的老Q5.可以看到正对cmos背后开了一个方孔。

我首先打开我9年前网购的Q5，发现这个版本的Q5和老外那款还不一样，cmos背后已经没有开孔。无法安装散热器，只好作罢。

接下来又把前年购的ASI224打开外壳，发现它的PCB板有两层。上层安装CMOS。用四颗螺钉固定在下层。其中一个螺钉上贴了易碎标签。反正基本过了保修期，就依然拆开。

还好，上层板的背面，正对cmos芯片有一个小开孔。尺寸3.5*4mm左右，估计也是为了空气散热用的。从方孔望进去，可见225L的丝印字样和一个小二维码。明显就是CMOS芯片了！

找到一条长30，宽4，厚0.5mm的小铜片，把它弯折成张开双翅的U形。然后在铜片U形底部和方孔内都涂上导热硅脂。铜

片暴露部分包上透明胶作绝缘。将它卡入方孔内。再拧回上层板螺钉。重新恢复原样。

这样一来原来的空气对流散热，现在改成了铜片接触导热。

查了点资料，稍微做了点粗略的估算。Cmos芯片面积10x11.28mm2厚度1.5mm估计质量为0.33克。而小铜片质量为0.5克。铜的导热性能和蓄热量肯定大于芯片材料，至少可分担芯片工作产生的一大半热量。（如果有纯银片……呵呵）

接下来我们来看下改造后的实际效果；将摄像头加镜头后接入电脑。观察图像噪点情况。果然有了明显改善。

因为以开始急于动手，没有考虑预先在同一工况下拍几张图片做对比，只凭我的主观叙述，无疑降低了说服力，但确实有看得见的效果，是毋庸置疑的。

振旺的ASICAP软件是个很好用的摄像头控制软件。很直观的看到各项设置的表现，

下面图片是不同增益GAIN设置下的噪点表现。而曝光时间设为【自动】

第一张增益301，背景平滑，直方图曲线平顺。噪点很少；

第二张增益400，背景相对平滑，直方图曲线略有锯齿。噪点初现，但不明显；

第三张增益450，背景颗粒感，直方图曲线锯齿变大。噪点明显；

第四张增益500，背景粗糙，直方图曲线像长了小草。噪点已不能忍受；

第五张增益600，达到最大增益，直方图曲线像灌木丛。噪点惨不忍睹。

根据我改造前使用的体验。增益是无法开到300以上的。如果开到300.那么噪点情况就如同上面那张增益450的图差不多。当然拍摄时的气温、对象都不同。但退一步说，起码做了这样被动散热改造后的效果，能够使得GAIN值增加100个读数的潜力。也是不小的进步。

再来看曝光时间随增益的变化趋势，见下表：

增益    曝光时间（微秒）

   301    5000

   400    2669

   450    1759

   500    1016

   600     360

从中可以粗略看出；大致有增益数值每增加100，曝光时间就减半的关系，增益就好像数码相机的ISO，增益每增加100，相当于ISO增加1倍。如此来看。这个小小散热片等于为摄像头增加了1倍的ISO！

改造到此可说是告一段落，但是折腾无止境。

欲知后事如何？且听下篇分解。

下篇，主动散热降温，小风扇大作用

    上篇给摄像头加装小铜片后，直观的起到降噪效果。但散热片毕竟是一种被动措施。是否可以采用主动措施呢？

    最初也想到给摄像头加装制冷片。无奈它内部空间实在太小，两层电路板之间仅有一片不到1mm的缝隙，再小的制冷片或风扇都不可能安进去。

    那么。内部不行就从外部着手。对着摄像头的外壳吹风——这有用吗？

    有没有用，只有亲自实验才知道。

    恰好手边有一个小风扇，大小与摄像头很适配。但摄像头后背四颗螺孔中距为39mm。风扇四孔中距40mm，用三颗螺钉可以歪着固定。

临时试验吧！

风扇需要12v直流，功率0.18w。风扇接一个5521插口。用一个电源变换器供电。

将摄像头与电脑和风扇电源都连接好，打开ASICAP软件。在“更多”选项可以看到摄像头芯片五分钟内的温度变化曲线。

下面是昨天连续观察记录了110分钟的温度随时间的变化曲线，当时环境温度为15.0摄氏度；

开机后22分钟后cmos温度由15度上升到23.2度基本达到稳定，我按照3分钟内温度不变化作为稳定标准。

    第24分钟打开小风扇，奇怪的是温度不降反升，（其中道理见下文）。

    第28分钟温度24度时终于停止上升，并在一分钟后开始下降，

    第35分钟温度达到新的平衡，稳定在23.6度。于是在第40分钟关闭风扇。

    第41分钟，温度开始迅速爬升，到57分钟达到25.5度。然后缓慢上升。

    第58分钟又打开小风扇。温度急剧下降1,8度。在第69分钟至23,7度，然后平衡。

    第72分钟再次关掉风扇，温度再升，一直到100分钟到达26.3度后，维持这一温度10分钟不再变化……温度上升2,6度。

    抱着一丝疑问，今天又做了一次类似实验（没画曲线 ）；

    环境温度15.1度，

    开机10分钟后cmos温度到24.5度基本平衡，两分钟后又开始上升，一直达到28.1度才停止上升——打住！——我终于明白昨天开风扇后会异常升温的原因了！

    那就是cmos的升温过程可以分为两个阶段，第一阶段吸收热量的是cmos芯片+小铜片这个组合，然而继续产生的热量这个组合已经无法容纳，开始向PCB基板传导扩散，造成短时间的平衡假象，待到PCB板也到了热饱和，又开始第二轮升温。昨天开风扇不过是风吹扰动造成第二轮温升的提前到来！

    接下来，在28.1度稳定后，开启风扇，温度直线下降，11分钟后达到24,3度平衡状态温度下降了3.7度。

    通过这两天的实验，得到如下结论；

    小风扇大作用，虽然是对着外壳吹风，但有明显的降温效果。从两天的实验看，应该能够达到降温3摄氏度的效果。

按照每5度噪音降到50%的算法。3度的温降，应能降噪到70%。

    综合看小铜片和小风扇两项措施都是小打小闹。小铜片被动散热，小风扇主动吹风。一不伤筋动骨，二少花费钱财。却能够显著提高这个ASI224MC摄像头的性能，将它变成了一个【半致冷相机】不亦乐乎？

    有人建议采用TEC制冷片的主动冷却，本人也曾考虑过，TEC制冷片从原理上看非常简单，但实际上会带来一大堆问题。制冷片只有直接贴在芯片背面才有好的效果，如果贴在铝制外壳上，虽说比单纯的风吹好，但是TEC片的热面需要更强大的散热措施，其耗能多。体积大。花费多，不是DIY的初衷。还要考虑防结露等问题。不然商品冷冻相机何以会有两三倍的价格？

如果先把开孔处四周先用透明胶带粘上防止短路，然后用几个铜片在开孔出引出来，在开孔四周安装带有铜栅栏的小风扇能起到降温和降噪吗？，或者在开孔出贴上降温热帖在接上上上述的散热风扇能降温吗？我的个人想法

加制冷片

增益每增加100，相当于ISO增加1倍

应该是ISO加一档吧

请问，想办法加增益，是为了在拍摄时减小曝光时间吗?

newaysoft 发表于 2020-2-16 07:32
请问，想办法加增益，是为了在拍摄时减小曝光时间吗?

这要从几个方面来看：
一是减少曝光时间，也就是增加了幁速率。对于拍摄行星视频，在视宁度良好时可以抓取更多图像，
二是同样曝光时间下能够获取信噪比更高的图像，这对于拍摄深空天体是有利的。
三是cmos的增益越高，说明内部的功率放大倍数越大，功耗就越大。发热也就越高，这就进一步 增加了噪点。所以只要有可能，最好在较低的增益设置下工作。

maasai 发表于 2020-2-15 22:58
加制冷片

用铜片导出散热

小改造，大提升

snzsy 发表于 2020-2-16 00:05
应该是ISO加一档吧

哦哦对对 一时没反应过来

回头看看我的ASI120能不能试试。

牛

关注中，向你学习，在开孔处用铜片引出再链接制冷片再安装带有铜栅栏的风扇能降温吗？

345391253 发表于 2020-2-16 22:51
关注中，向你学习，在开孔处用铜片引出再链接制冷片再安装带有铜栅栏的风扇能降温吗？ ...

按你的设想，摄像头内部空间肯定是不行的，如果铜片引到外部，再加风扇效果肯定好一些。但需要伤筋动骨，外壳据出扁孔。费工费时。体积也要大不少。
不如搞一个如下图一样的紫铜片，中心小块 嵌入小孔内（最好纯银，外围尺寸供参考，可大可小）。那样比我现在效果好不少。

九大行星 发表于 2020-2-17 11:33
按你的设想，摄像头内部空间肯定是不行的，如果铜片引到外部，再加风扇效果肯定好一些。但需要伤筋动骨， ...

两块PCB板中间有3毫米的空间，刚好塞入铜片，铜片是紧贴CMOS板的，中间用导热硅填充。
体积大的好处是可以密封。
我的最终版本是把原摄像头外壳拆了不用，用防水盒重新制作了外壳。半导体制冷片直接贴在COMS上。加上PID温控后，最终工作时温度能下降20多度。
CMOS对比CCD，需要深度制冷才有更好的效果。

嗯。你的改造方案很好，连外壳都要换，那我的小打小闹肯定不如你。上下两层PCB板之间是有3mm，但是两边都有贴片电阻、电容、和IC芯片等等元件，两边各占1mm多的厚度。中间缝隙是不到1mm的。而且只有3.5*4mm的方孔能够露出cmos的背面，不知你如何能够使铜片与CMOS的背面紧贴的，难不成你会把cmos芯片拆下来重焊？
不管如何，还是预祝你能成功，然后分享出来。目前商品冷冻相机最低也要5k以上，自己能DIY成功值得鼓励。

最好是用热管散热，看一下笔记本电脑散热的方法，再结合半导体致冷，效果会更好！

九大行星 发表于 2020-2-17 15:23
嗯。你的改造方案很好，连外壳都要换，那我的小打小闹肯定不如你。上下两层PCB板之间是有3mm，但是两边都有 ...

怪我描述不好，3毫米大概拉，反正能塞进1毫米厚的铜片，当然没法焊下COMS，是铜片紧贴CMOS的板子，靠导热硅胶传导。
下面的图片是铜片导热版，但不是最终版，因为铜片导热还是不够冷，而且制冷时间过长。后来我把外壳全扔了，把CMOS板和另一PCB板平铺，去掉铜片，制冷片直接贴上CMOS板，这样能冷却到零下20来度，比环境低30来度。可以搜下我的帖子。

锉刀伺候，割出铜片口子


拆除了COMS，中间够你塞个铜片

maasai 发表于 2020-2-17 22:49
怪我描述不好，3毫米大概拉，反正能塞进1毫米厚的铜片，当然没法焊下COMS，是铜片紧贴CMOS的板子，靠导热 ...

你开的孔好整齐。发现你的PCB版本与我的不一样，而且上边那个逻辑芯片也比我的小很多。

另外cmos背后那个小方孔是惟一的散热出口，最好充分利用起来。

九大行星 发表于 2020-2-18 10:20
你开的孔好整齐。发现你的PCB版本与我的不一样，而且上边那个逻辑芯片也比我的小很多。

另外cmos背后那 ...

maasai网友的好像是174mm。不知道加了散热片后行星拍摄有多大的效果提升。