單板計(jì)算機(jī) （SBC） 代表了許多控制問題的易于集成的解決方案。這個(gè)想法的流行導(dǎo)致市場上 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，從相對簡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)，并對電源子系統(tǒng)產(chǎn)生了連鎖影響。

　　隨著 SBC 市場的增長，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)目對小尺寸的需求可能會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支持在 1 W 或更低功率下消耗超過 100 A 的設(shè)備。通常在單個(gè)處理器或 FPGA 附近會有負(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)過良好調(diào)節(jié)的電壓，以確保高效運(yùn)行。

　　熱量對電子系統(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，并且反過來往往會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，可以通過有效冷卻獲得的效率增益顯著增加。

　　冷卻器運(yùn)行也會對可靠性產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。如果系統(tǒng)在較低溫度下運(yùn)行，它們在給定時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的可能性就會降低。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、對流和傳導(dǎo)。對于大多數(shù)環(huán)境中使用的電子系統(tǒng)，對流和傳導(dǎo)是最重要的。

　　通過對流，當(dāng)能量從系統(tǒng)的固體組件傳遞到空氣分子時(shí)，熱量會從電源傳遞出去。熱損失率與空氣流過系統(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 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)移到可以通過對流損失的地方。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)電源的方向也會對冷卻性能產(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，熱空氣的影響會更小。然而，對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，氣流會受到障礙物的限制，這需要加以考慮?？諝怆x開系統(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)功率輸出來權(quán)衡工作溫度。通過降額，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 50°C 限制之間的權(quán)衡。

　　考慮到這些因素，通過考慮圍繞整個(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。