项目简介

       本工程预计开源一个基于JHL7440主控的雷电4显卡盒，用户可以将高性能台式机显卡通过雷电接口连接至笔记本电脑，以提升笔记本图形处理性能。显卡盒内设计有PD3.1充电电路，使用显卡的同时还可以对笔记本电脑进行充电；显卡盒内还安装了电池组及电池管理系统，当给显卡盒供电的电源断开时电池组会继续为显卡盒和用户笔记本供电，避免了突然断电时游戏卡死数据丢失的问题。
      显卡盒成品图和渲染图如图：

 

 

开源协议

本工程依据“CC-BY-NC-SA 4.0”知识共享许可协议，请勿用于商用，转载时请标明出处。

 

项目属性

本项目为首次公开，为本人原创项目。项目未曾在别的比赛中获奖。

 

项目更新

• 2024.4.4 发布了开源项目 雷电笔记本显卡坞。主电路版本为：NoteBook eGPU Dock-B v0.2

 

项目进度

此项目为星火计划悬赏赛道，截止至2024年3月25日，已完成项目的所有指标并验证；

在项目需求上又额外添加了UPS电路、PD3.1充电电路、USB10Gbps接口、buck-boost电源等，使显卡盒额外支持

• UPS功能
• PD3.1反向充电功能
• 宽电压供电

截止2024年4月2日，已完成上述所有功能的验证。

 

项目参数

支持最大显卡功率：240W

雷电传输数据带宽：32Gbps

PD口最大反向供电功率：PD3.1@140W

雷电口最大反向供电功率：PD3.0@60W

尺寸： 190x148x68mm(长x宽x高)

 

项目介绍

  1.硬件介绍

      1.1总体介绍

硬件电路分为两块PCB，一块是显卡盒主板，负责电源、PCI-E高速线、电池管理。另一块PCB负电池参数显示、断电警报。

主板电源树如图：

        系统电源可以分为两种工作状态，第一种工作状态是由外部电源适配器供电时，从左上看12~24Vin是外部电源适配器输入，进入系统后分为两路，一路送至Charger，经过BQ40z50电量计给电池充电，另一路送至PowerPath电路，PowerPath电路会判断主电源是否正常，如果正常将主电源放电mos打开，备用电源放电mos关闭。由主电源为后级电路供电。后级PowerSwitch是电源开关电路，使用Pmos作为高侧开关，当用户把机械开关闭合后Pmos会导通，后级电源全部上电。

       第二种工作状态是由电池为系统供电时，从左看4S Li-ion电池经过BQ40z50电量计进入PowerPath电路，由于外部电源已断开，PowerPath将电池放电mos打开，选择电池为后级系统供电。

当适配器电压低于10.8V时，PowerPath会选择使用电池供电；当适配器电压回升到11.8v时，切换到适配器供电。

      ThunderBolt Module2高速走线框图：

主板PCB 3D如图所示：

MCU板硬件框图如图：

MCU板负责访问BQ40z50电量计中电池参数数据、断电报警、温度检测。MCU选择STM32F103C8T6。

MCU板电路3D如图所示：

     1.2  显卡供电电源（LM34936）介绍

       由于项目要支持宽电压（11-24v）供电，显卡工作电压是12V，所以输入要经过一个DC-DC电源变换器再为显卡供电。又因为RTX3060TI显卡满载功耗可以达到240W，动态范围较大，所以要使用一个效率高、动态响应好的DC-DC电源。

      此项目使用TI的LM34936方案，LM34936是一个buck-boost拓扑架构的DC-DC电源控制器，支持4.2-30V宽电压输入，在buck和boost模式下均使用电流控制（current-mode）具有卓越的动态响应性能。使用德州仪器WEBENCH电源设计软件生成电路图后进行仿真，电源效率可以达到97.2%，动态响应仿真如图：

    1.3 PowerPath模块介绍

        由于两个电源都可以为显卡盒进行供电，并且当主电源断开后副电源需要立刻代替主电源为设备供电，不可以有切换延时。所以选择LTC4416芯片。LTC4416是双通道电源路径管理芯片，使用硬件比较器控制电源切换电路，可以达到最快的电源切换。实测在20V 20A负载下可以做到0s切换，如图：

        图中1通道是电源适配器输出电压，2通道是PowerPath电路输出的电压，在240mS左右，外部适配器断电（1通道），断电瞬间PowerPath电路切换至副电源供电，电压降至副电源电压（2通道）。

       使用前需要配置3个滞回比较器的电阻，在数据手册中有公式，工程电路图中也有。

 

    1.5 BQ40z50电量计

      设备满载运行时需要400W的供电，并且负载较为动态，对电池压力较大。由于电池内部阻抗和负载动态原因，对电池电量统计有较大的考验。此项目使用具有阻抗跟踪算法的BQ40z50电量计，这个电量计可以测量电池组的阻抗，无论负载如何变化，电量计都能找到电池组的开路电压，通过前期化学参数匹配，可以得到当前开路电压对应的电量。

2.硬件指标测试

   2.1显卡供电电源纹波和动态响应

    将示波器开至交流耦合，带宽限制到20M，探头使用x1挡位，使用接地弹簧接地，测得的显卡供电电源空载时纹波如图所示：

     纹波大小为24mV

     电源满载时测得的纹波如图所示：

      满载纹波大小为35mV

      测试场景：

     将动态电子负载接入电源，使用信号发生器发生一个100Hz 1100mV方波信号，控制电子负载产生阶跃电流信号。得到电源动态响应如图：

       图中C2通道是电源的输出电流，C1通道是电源的电压。C1通通道开启交流耦合，带宽限制20M。电流从0A上升到11A，得到系统的超调量约为72mV，从11A降到0A，系统的超调量为61mV，动态响应良好。

      动态响应测试场景：

    2.2 雷电4带宽测试：

测试环境：笔记本电脑：拯救者Y9000X 2023 （IAH7）

                  显卡：微星AERO RTX3060TI LHR

                  线缆：JEYI 被动式雷电4数据线 25cm

                  测试软件：AIDA64 Extrame

 

    2.3系统发热测试：

       电池未满电，系统未连接任何设备、未安装散热底壳时使用热成像仪检测PCB温度：

       使用适配器供电，电池未满电，系统满载、未安装散热底壳时PCB温度：

测试设备：海康微影 K20

 

复刻注意事项：

   1.需要购买的零件

•  THUNDERBOLT MODULE2 模块，如图：

•   高压锂电池，型号：1102760，容量1.95AH，如图：

 

 

•   14AWG硅胶导线，用于显卡供电，连接显卡和显卡盒。
•    SMD焊接铜块，6*2*2mm，用于辅助散热和增加pcb导线过流能力
•    5557夹板式8p显卡焊接插头，用于显卡供电，如图：

•      6.5mm香蕉头连接器，用于连接显卡和显卡盒主板，公头和母头各需要2个，如图：
•        7*5*0.3mm冷焊片，用于将电池与显卡盒主板连接，需要8个，如图：
• 0.96英寸LCD屏幕，st7735s主控，用于MCU板显示系统参数信息，如图：

• 螺丝：M2*4、M2*16、M3*8
• 螺柱：4根 M3*45+10
• 电源适配器：12~24V都可以，根据所使用的显卡，我是用的是RTX3060Ti显卡，显卡盒工作时同时向笔记本电脑充电，使用的是HOTA公司 245w*2氮化镓电源，实测可以稳定工作。如果使用12V电源供电，电源满载压降不能过大，如果输入电压小于10.8V了，系统就认为外部电源异常，切换电池供电。
• 8mm热缩管，用于电容铝壳绝缘。

 

   2.PCB制作

       2.1 打样

           此项目需要打样工程中的3块PCB：GPU_Dock_MotherBoard、MCU_Board 和 8p连接器。

           GPU_Dock_MotherBoard PCB下单时选择JLC04161H-3313层压结构，需要阻抗管控，±20%就可以，1.6mm板厚。其它PCB也是1.6mm板厚，无需阻抗管控。.

       2.2 焊接

             2.2.1 说在前面的一些注意事项

        最后焊接电池！最后焊接电池！最后焊接电池！

           PCB元件布局比较密，如果不选择SMT，焊接时建议先焊好芯片，再焊电阻电容，不然芯片如果连锡下不去烙铁。

           元件全部焊接完毕后先不要插thunderbolt module2模块，先上电测试，电源都正常后再插上模块测试

           电脑能识别到显卡后进行压力测试，没有出现问题再焊接电池，注意不要短路

              2.2.2 焊接完成后的PCB

             

              2.2.3 焊接注意事项

          PCB正面注意绝缘：位号BAT1~BAT4的NTC电阻型号是MF52B103F3450，或者使用B3450 10K的电阻代替。由于这个NTC电阻使用的是通孔焊盘，显卡背板直接与PCB正面接触，需要在PCB正面将引脚磨平，然后粘贴绝缘纸，防止显卡背板将电阻短路，位号为C217、U22同理。

          电容注意绝缘： 位号C113、C114、C217、C221电容需要套上热缩管再焊接，防止电容铝壳短路。

          注意电池焊接顺序：先焊接位号为B4的电池，再焊接B3，以此类推。

          NTC电阻位置：此项目一共使用了6个NTC电阻，4个NTC电阻检测电池温度，2个NTC电阻检测显卡供电电源和电源路径管理温度。4个检测电池温度的NTC电阻需要使用胶粘到电池上，可以使用704硅橡胶。另显卡电源的ntc电阻需要粘到位号为L6的电感上，电源路径管理的NTC电阻需要粘到Q14和Q13附近。

      2.3 程序烧录

         PCB焊接完成后上电，检查各个电源工作是否正常，电源电压全部正常可以插入模块和显卡。插入之后使用雷电4将显卡盒和电脑连接，电脑应该可以识别到有新GPU，如果识别到，说明主要部分焊接无问题。

             2.3.1 电量计配置：

         配置电量计需要使用EV2400，可以从某宝购买，120元左右。EV2400如图：

           然后还需要在德州仪器官网下载一个Battery Management Studio，或者用网盘里传的那个。将调试器的SMBD、SMBC接口分别接到显卡盒主板的SDA_BQ、SCL_BQ引脚上。PCB没有预留GND接口，可以用雷电线连接电脑和显卡盒主板，使显卡盒主板和调试器共地。连好后打开Battery Management Studio。正常情况下应该弹出这个界面：

如果弹出的是这个界面，Auto Detected Device: None 证明电量计和电脑没有通信成功，如图：

        这时可以随便选择一个设备进入配置界面，查看EV2400是否与电脑连接成功，如果软件可以读取到EV2400的版本，说明EV2400连接无问题。需要检查电路焊接是否有问题。

          如果检测不到EV2400的版本号，则需要检查EV2400是否正常连接入系统，检查插上EV2400后windows系统是否会给提示。如果系统给出提示并且上位机软件内还是检测不到版本，可能时系统环境问题，可以试试在另一台电脑或虚拟机内运行Battery Management Studio。

            PCB中的电量计是BQ40Z50-R1，默认烧录的是R1固件。网盘链接里面的是按照R2固件进行配置的，需要升级一下固件。具体参考电量计配置视频。

其它

      经过测试，此项目可以稳定运行在redmebook14、Thinkbook 14+、Legion Y9000x上。部分联想轻薄本会出现雷电4不兼容的情况，主要表现为接入显卡盒后几秒内雷电4会断连。

附件

链接：https://pan.baidu.com/s/1yPTTYX021ZoxA8l5VQojqw?pwd=0udn 
提取码：0udn