單板計(jì)算機(jī) （SBC） 代表了許多控制問(wèn)題的易于集成的解決方案。這個(gè)想法的流行導(dǎo)致市場(chǎng)上 SBC 產(chǎn)品的數(shù)量激增，這些產(chǎn)品涵蓋了廣泛的性能和成本需求，從相對(duì)簡(jiǎn)單的基于微控制器的解決方案到復(fù)雜但緊湊的高性能處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程混合門陣列。通常，將大量計(jì)算性能打包到一個(gè)小空間中的需求在外殼和封裝設(shè)計(jì)方面提出了挑戰(zhàn)，并對(duì)電源子系統(tǒng)產(chǎn)生了連鎖影響。

　　隨著 SBC 市場(chǎng)的增長(zhǎng)，出現(xiàn)了豐富的電源解決方案選擇。一方面，這使得最終系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加容易，因?yàn)樗梢砸蕾嚞F(xiàn)成的解決方案；但許多嵌入式控制項(xiàng)目對(duì)小尺寸的需求可能會(huì)影響為確保高可靠性和一致的性能而需要做出的選擇。

　　更高性能的 SBC 可能需要高水平的功率來(lái)支持在 1 W 或更低功率下消耗超過(guò) 100 A 的設(shè)備。通常在單個(gè)處理器或 FPGA 附近會(huì)有負(fù)載點(diǎn) （POL） 電源控制器；但核心電源需要能夠以相當(dāng)高的功率水平向這些 POL 設(shè)備提供經(jīng)過(guò)良好調(diào)節(jié)的電壓，以確保高效運(yùn)行。

　　熱量對(duì)電子系統(tǒng)的性能有直接影響。電子電路，特別是那些用于功率轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)碾娐罚ǔＴ谳^低溫度下更有效地執(zhí)行，并且反過(guò)來(lái)往往會(huì)以廢熱的形式消散更少的能量。隨著整個(gè)系統(tǒng)的功率輸出增加，可以通過(guò)有效冷卻獲得的效率增益顯著增加。

　　冷卻器運(yùn)行也會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。如果系統(tǒng)在較低溫度下運(yùn)行，它們?cè)诮o定時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的可能性就會(huì)降低。這些因素使得在查看電源設(shè)計(jì)選項(xiàng)時(shí)考慮所有可能性非常重要，例如冷卻和負(fù)載與效率曲線。電源等電子單元散熱的方式主要有三種：輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)。對(duì)于大多數(shù)環(huán)境中使用的電子系統(tǒng)，對(duì)流和傳導(dǎo)是最重要的。

　　通過(guò)對(duì)流，當(dāng)能量從系統(tǒng)的固體組件傳遞到空氣分子時(shí)，熱量會(huì)從電源傳遞出去。熱損失率與空氣流過(guò)系統(tǒng)的速度成正比。因此，強(qiáng)制空氣冷卻將提供比熱組件將能量傳遞給空氣分子所產(chǎn)生的自然運(yùn)動(dòng)更大程度的冷卻。

　　強(qiáng)制風(fēng)冷可以增加現(xiàn)成電源的最大可用功率。例如，CUI制造的主電源VMS-160-5主要用于醫(yī)療系統(tǒng)，如果使用以每分鐘 400 線性英尺的流速輸送的強(qiáng)制空氣進(jìn)行冷卻，則可以向負(fù)載提供 100 W 的功率，最高可達(dá)70 W 沒(méi)有。PSU 的單路輸出可提供低至 5 V 的電壓，適用于許多現(xiàn)成的 SBC 產(chǎn)品設(shè)計(jì)。它具有 12 V 輔助風(fēng)扇輸出，有助于支持高功率系統(tǒng)所需的強(qiáng)制風(fēng)冷。

　　通過(guò) PCB 基板或系統(tǒng)機(jī)箱的傳導(dǎo)為從電源中散熱提供了進(jìn)一步的途徑，盡管傳統(tǒng)上它被認(rèn)為不如對(duì)流重要。此外，在基于 SBC 的系統(tǒng)中，電源的熱量不能傳遞到處理器復(fù)合體也很重要，因?yàn)檫@會(huì)增加設(shè)備在高負(fù)載條件下進(jìn)入熱關(guān)斷以保護(hù)自身的可能性。

　　通常，PCB 的高銅含量以及外殼內(nèi)的金屬有助于為熱量通過(guò)傳導(dǎo)從電源流出提供良好的路徑。安裝在外殼外部的散熱器將有助于將熱能從系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到可以通過(guò)對(duì)流損失的地方。建議使用導(dǎo)熱粘合劑填充待冷卻設(shè)備之間的任何空隙，并最大限度地提高從設(shè)備到散熱器的熱傳導(dǎo)。螺栓或夾具增加了接觸壓力，這也改善了熱傳遞到散熱器中。

　　系統(tǒng)內(nèi)電源的方向也會(huì)對(duì)冷卻性能產(chǎn)生影響，具體取決于內(nèi)部組件的布局。由于熱空氣趨于上升，安裝在 SBC 下方的電源往往會(huì)將熱量傳遞到處理器復(fù)合體中的組件。如果板子垂直安裝，PSU 在側(cè)面，熱空氣的影響會(huì)更小。然而，對(duì)熱敏感的組件可能更好地放置在單元的底部。

　　在內(nèi)部使用散熱器的情況下，最大的散熱器的散熱片應(yīng)與氣流方向平行。自然，氣流會(huì)受到障礙物的限制，這需要加以考慮?？諝怆x開(kāi)系統(tǒng)的方式將有助于確定氣流的效率。為防止壓力積聚并降低風(fēng)扇的效率，空氣出口的橫截面積應(yīng)至少比入口的橫截面積大 50%。

　　除了冷卻之外，電源性能也是影響整體熱行為的關(guān)鍵因素。提供高功率轉(zhuǎn)換效率的電源設(shè)計(jì)將需要更少的冷卻，因?yàn)樗總鬟f焦耳會(huì)產(chǎn)生更少的熱量。如果 160 W 電源以 85% 的效率在滿負(fù)載下運(yùn)行，則在峰值負(fù)載下運(yùn)行時(shí)將耗散大約 24 W 的熱量。效率僅提高 5% 的電源將減少 8 W 的廢熱。TDK-Lambda的NV175 系列 就是一個(gè)高效 AC/DC 轉(zhuǎn)換器的例子。它提供高達(dá) 90% 的轉(zhuǎn)換效率，如果將 PSU 用作單輸出轉(zhuǎn)換器并且在接近滿負(fù)載的情況下運(yùn)行，則可提供最高效率。

　　圖 1：TDK-Lambda 相對(duì)于線路電壓的效率曲線，顯示了單個(gè)電壓輸出較少的配置的峰值效率增加。

　　在某些情況下，環(huán)境限制意味著設(shè)備周圍的環(huán)境溫度將高于最長(zhǎng)使用壽命所需的溫度。工業(yè)應(yīng)用可能要求系統(tǒng)周圍的溫度能夠升至 60°C 或更高。在這些情況下，需要查閱電源規(guī)格以確保系統(tǒng)可以支持的負(fù)載水平。制造商通常會(huì)提供降額曲線，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)功率輸出來(lái)權(quán)衡工作溫度。通過(guò)降額，Artesyn Embedded Technologies生產(chǎn)的NPS60可在高達(dá) 80°C 的溫度下工作。PSU 的峰值效率為 87%，可在高達(dá) 50°C 的溫度下滿載運(yùn)行。超過(guò)這一點(diǎn)，溫度每升高 1 度，每個(gè)輸出都需要降低 2.5%。

　　圖 2：能夠在高達(dá) 80°C 的溫度下運(yùn)行的 PSU 的典型降額曲線，顯示了功率輸出與溫度升高超過(guò) 50°C 限制之間的權(quán)衡。

　　考慮到這些因素，通過(guò)考慮圍繞整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱參數(shù)，設(shè)計(jì)人員不僅可以充分利用高性能 SBC 的可用性，還可以充分利用現(xiàn)成的電源轉(zhuǎn)換器。