浅谈SBC电源的散热设计

　　单板计算机 （SBC） 代表了许多控制问题的易于集成的解决方案。这个想法的流行导致市场上 SBC 产品的数量激增，这些产品涵盖了广泛的性能和成本需求，从相对简单的基于微控制器的解决方案到复杂但紧凑的高性能处理器和现场可编程混合门阵列。通常，将大量计算性能打包到一个小空间中的需求在外壳和封装设计方面提出了挑战，并对电源子系统产生了连锁影响。

　　随着 SBC 市场的增长，出现了丰富的电源解决方案选择。一方面，这使得最终系统的设计更加容易，因为它可以依赖现成的解决方案；但许多嵌入式控制项目对小尺寸的需求可能会影响为确保高可靠性和一致的性能而需要做出的选择。

　　更高性能的 SBC 可能需要高水平的功率来支持在 1 W 或更低功率下消耗超过 100 A 的设备。通常在单个处理器或 FPGA 附近会有负载点 （POL） 电源控制器；但核心电源需要能够以相当高的功率水平向这些 POL 设备提供经过良好调节的电压，以确保高效运行。

　　热量对电子系统的性能有直接影响。电子电路，特别是那些用于功率转换和传输的电路，通常在较低温度下更有效地执行，并且反过来往往会以废热的形式消散更少的能量。随着整个系统的功率输出增加，可以通过有效冷却获得的效率增益显着增加。

　　冷却器运行也会对可靠性产生连锁反应。如果系统在较低温度下运行，它们在给定时间内发生故障的可能性就会降低。这些因素使得在查看电源设计选项时考虑所有可能性非常重要，例如冷却和负载与效率曲线。电源等电子单元散热的方式主要有三种：辐射、对流和传导。对于大多数环境中使用的电子系统，对流和传导是最重要的。

　　通过对流，当能量从系统的固体组件传递到空气分子时，热量会从电源传递出去。热损失率与空气流过系统的速度成正比。因此，强制空气冷却将提供比热组件将能量传递给空气分子所产生的自然运动更大程度的冷却。

　　强制风冷可以增加现成电源的最大可用功率。例如，CUI制造的主电源VMS-160-5主要用于医疗系统，如果使用以每分钟 400 线性英尺的流速输送的强制空气进行冷却，则可以向负载提供 100 W 的功率，最高可达70 W 没有。PSU 的单路输出可提供低至 5 V 的电压，适用于许多现成的 SBC 产品设计。它具有 12 V 辅助风扇输出，有助于支持高功率系统所需的强制风冷。

　　通过 PCB 基板或系统机箱的传导为从电源中散热提供了进一步的途径，尽管传统上它被认为不如对流重要。此外，在基于 SBC 的系统中，电源的热量不能传递到处理器复合体也很重要，因为这会增加设备在高负载条件下进入热关断以保护自身的可能性。

　　通常，PCB 的高铜含量以及外壳内的金属有助于为热量通过传导从电源流出提供良好的路径。安装在外壳外部的散热器将有助于将热能从系统转移到可以通过对流损失的地方。建议使用导热粘合剂填充待冷却设备之间的任何空隙，并最大限度地提高从设备到散热器的热传导。螺栓或夹具增加了接触压力，这也改善了热传递到散热器中。

　　系统内电源的方向也会对冷却性能产生影响，具体取决于内部组件的布局。由于热空气趋于上升，安装在 SBC 下方的电源往往会将热量传递到处理器复合体中的组件。如果板子垂直安装，PSU 在侧面，热空气的影响会更小。然而，对热敏感的组件可能更好地放置在单元的底部。

　　在内部使用散热器的情况下，最大的散热器的散热片应与气流方向平行。自然，气流会受到障碍物的限制，这需要加以考虑。空气离开系统的方式将有助于确定气流的效率。为防止压力积聚并降低风扇的效率，空气出口的横截面积应至少比入口的横截面积大 50%。

　　除了冷却之外，电源性能也是影响整体热行为的关键因素。提供高功率转换效率的电源设计将需要更少的冷却，因为它每传递焦耳会产生更少的热量。如果 160 W 电源以 85% 的效率在满负载下运行，则在峰值负载下运行时将耗散大约 24 W 的热量。效率仅提高 5% 的电源将减少 8 W 的废热。TDK-Lambda的NV175 系列 就是一个高效 AC/DC 转换器的例子。它提供高达 90% 的转换效率，如果将 PSU 用作单输出转换器并且在接近满负载的情况下运行，则可提供最高效率。

　　图 1：TDK-Lambda 相对于线路电压的效率曲线，显示了单个电压输出较少的配置的峰值效率增加。

　　在某些情况下，环境限制意味着设备周围的环境温度将高于最长使用寿命所需的温度。工业应用可能要求系统周围的温度能够升至 60°C 或更高。在这些情况下，需要查阅电源规格以确保系统可以支持的负载水平。制造商通常会提供降额曲线，让系统设计人员可以根据功率输出来权衡工作温度。通过降额，Artesyn Embedded Technologies生产的NPS60可在高达 80°C 的温度下工作。PSU 的峰值效率为 87%，可在高达 50°C 的温度下满载运行。超过这一点，温度每升高 1 度，每个输出都需要降低 2.5%。

　　图 2：能够在高达 80°C 的温度下运行的 PSU 的典型降额曲线，显示了功率输出与温度升高超过 50°C 限制之间的权衡。

　　考虑到这些因素，通过考虑围绕整个系统设计的热参数，设计人员不仅可以充分利用高性能 SBC 的可用性，还可以充分利用现成的电源转换器。