單板計算機 （SBC） 代表了許多控制問題的易于集成的解決方案。這個想法的流行導致市場上 SBC 產品的數量激增，這些產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雜但緊湊的高性能處理器和現場可編程混合門陣列。通常，將大量計算性能打包到一個小空間中的需求在外殼和封裝設計方面提出了挑戰，并對電源子系統產生了連鎖影響。

　　隨著 SBC 市場的增長，出現了豐富的電源解決方案選擇。一方面，這使得最終系統的設計更加容易，因為它可以依賴現成的解決方案；但許多嵌入式控制項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 的設備。通常在單個處理器或 FPGA 附近會有負載點 （POL） 電源控制器；但核心電源需要能夠以相當高的功率水平向這些 POL 設備提供經過良好調節的電壓，以確保高效運行。

　　熱量對電子系統的性能有直接影響。電子電路，特別是那些用于功率轉換和傳輸的電路，通常在較低溫度下更有效地執行，并且反過來往往會以廢熱的形式消散更少的能量。隨著整個系統的功率輸出增加，可以通過有效冷卻獲得的效率增益顯著增加。

　　冷卻器運行也會對可靠性產生連鎖反應。如果系統在較低溫度下運行，它們在給定時間內發生故障的可能性就會降低。這些因素使得在查看電源設計選項時考慮所有可能性非常重要，例如冷卻和負載與效率曲線。電源等電子單元散熱的方式主要有三種：輻射、對流和傳導。對于大多數環境中使用的電子系統，對流和傳導是最重要的。

　　通過對流，當能量從系統的固體組件傳遞到空氣分子時，熱量會從電源傳遞出去。熱損失率與空氣流過系統的速度成正比。因此，強制空氣冷卻將提供比熱組件將能量傳遞給空氣分子所產生的自然運動更大程度的冷卻。

　　強制風冷可以增加現成電源的最大可用功率。例如，CUI制造的主電源VMS-160-5主要用于醫療系統，如果使用以每分鐘 400 線性英尺的流速輸送的強制空氣進行冷卻，則可以向負載提供 100 W 的功率，最高可達70 W 沒有。PSU 的單路輸出可提供低至 5 V 的電壓，適用于許多現成的 SBC 產品設計。它具有 12 V 輔助風扇輸出，有助于支持高功率系統所需的強制風冷。

　　通過 PCB 基板或系統機箱的傳導為從電源中散熱提供了進一步的途徑，盡管傳統上它被認為不如對流重要。此外，在基于 SBC 的系統中，電源的熱量不能傳遞到處理器復合體也很重要，因為這會增加設備在高負載條件下進入熱關斷以保護自身的可能性。

　　通常，PCB 的高銅含量以及外殼內的金屬有助于為熱量通過傳導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轉移到可以通過對流損失的地方。建議使用導熱粘合劑填充待冷卻設備之間的任何空隙，并最大限度地提高從設備到散熱器的熱傳導。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。

　　系統內電源的方向也會對冷卻性能產生影響，具體取決于內部組件的布局。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合體中的組件。如果板子垂直安裝，PSU 在側面，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。

　　在內部使用散熱器的情況下，最大的散熱器的散熱片應與氣流方向平行。自然，氣流會受到障礙物的限制，這需要加以考慮。空氣離開系統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扇的效率，空氣出口的橫截面積應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鍵因素。提供高功率轉換效率的電源設計將需要更少的冷卻，因為它每傳遞焦耳會產生更少的熱量。如果 160 W 電源以 85% 的效率在滿負載下運行，則在峰值負載下運行時將耗散大約 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 就是一個高效 AC/DC 轉換器的例子。它提供高達 90% 的轉換效率，如果將 PSU 用作單輸出轉換器并且在接近滿負載的情況下運行，則可提供最高效率。

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

　　在某些情況下，環境限制意味著設備周圍的環境溫度將高于最長使用壽命所需的溫度。工業應用可能要求系統周圍的溫度能夠升至 60°C 或更高。在這些情況下，需要查閱電源規格以確保系統可以支持的負載水平。制造商通常會提供降額曲線，讓系統設計人員可以根據功率輸出來權衡工作溫度。通過降額，Artesyn Embedded Technologies生產的NPS60可在高達 80°C 的溫度下工作。PSU 的峰值效率為 87%，可在高達 50°C 的溫度下滿載運行。超過這一點，溫度每升高 1 度，每個輸出都需要降低 2.5%。

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

　　考慮到這些因素，通過考慮圍繞整個系統設計的熱參數，設計人員不僅可以充分利用高性能 SBC 的可用性，還可以充分利用現成的電源轉換器。