宽温设计 让嵌入式系统冷暖自如

应用于工厂环境的嵌入式系统，宽温已成必备的设计要点。（Siemens）

企业使用的嵌入式系统，其运作环境相当多种，因此设计也需与之相应，其中宽温已经成为此类产品的必备设计，宽温设计可以让设备在极低与极高温度中稳定运作，成为企业的最佳帮手。

相较消费性产品，嵌入式系统的使用环境较为多元，除了一般室内环境外，室外环境、工厂厂房、车体…等，都有可能是其建置之处，这些场所的环境条件多相当恶劣，像是多尘、震动大、高低温等，这些因素都有可能造成系统停摆甚至故障，因此防尘、防震、宽温，就成为特定应用的嵌入式产品设计重点，其中宽温已成为此类产品的必要设计。

就各种环境条件来看，「热」无疑是嵌入式系统故障的第一要素，以一般桌上型电脑来说，机箱内的温度达40℃时，系统就会开始不稳，至于没有宽温设计的嵌入式系统，则到60℃时，就会出现热当机的状况，至于「冷」造成的影响，则是会导致系统无法开机，尤其当温度低于0℃，情况通常会更严重。

宽温设计的4种对应环境

目前嵌入式产品所有需要宽温设计的应用场所有4类，包括室外环境、密闭空间、移动空间、特殊空间。分析如下：

1．室外空间：位于室外的嵌入式设备比一般想像中要多，像是最近争议颇多的ETC系统、建置于大楼外墙的大形数码看板等，温带国家的这类场所，其温度不会有太大变化，一般消费性嵌入式产品所设计的0℃？40℃即可应付所需，但是高纬度国家（北欧、北美）或热带国家（埃及、非洲），其低温有可能达到-20℃（如最近的北美暴风雪），高温有可能达50℃（如2013年夏天澳大利亚最高温为49.6℃），在此环境下，位于室外的嵌入式系统，就必须要有宽温设计以为因应。

2．热源空间：这类场所多为工厂环境，像是建置在锅炉旁的工厂自动化设备，工厂自动化设备多优先应用于3K环境（辛苦、肮脏、危险），其中锅炉因为高温，就属于危险一环，因此应用于此的嵌入式设备，其温度设计至少需有50℃以上。

3．移动空间：移动空间主要为车体内部，车体内部又包括车厢内外两部份，车厢内一般认为有空调设备，温度相当宜人，但是那是人在车中才会有的状态，当车子停在室外，夏天的阳光照射加上空间密闭，其温度有可能高达50℃以上，即便系统未运作，也有可能造成损毁，车厢外则多为车辆运作系统如引擎旁等处，会建置于此的嵌入式系统多为传感设备，用以侦测车辆状态并将信息提供给驾驶，车厢外的热度来源有二，一是不易散热的车体密闭空间，二是引擎所散发的热气。

4．特殊空间：此类场所主要为航太应用，从是数万英尺的大型客机到更高的外太空机具，这种应用的宽温需求更严苛，而且还需有其他设计，像是防腐蚀、气压等。

上述这4类应用的宽温需求，都非一开始即产生，除了航太应用外，其他领域刚开始都是采用消费性产品，长期使用后发现故障频传，才开始有宽温设计，最明显的例子就是之前曾建置过一段时间的台北市公车LCD屏幕，在没有宽温与防震的设计下，其故障率随着建置时间逐渐攀高，导致后来渐渐消失，这类建置失败经验累积到一定程度后，嵌入式系统的供需双方才逐渐培养出特殊规格的设计概念。

层层测试 为宽温把关

目前宽温虽然已成特殊应用的嵌入式系统基本概念，但与一般消费性嵌入式产品相比，其产品比例仍不大，因此仍未有具公信力的第三方机关制定出标准标准，专攻相关领域的系统厂商，多必须自行设置实验室以测试产品，并于测试后印上自己的合格标示，虽是私人企业自行认证，不过由于供需双方均是长期配合，为顾及商誉，品质相当可靠，其合格标示也已具一定公信力。

在实验室中，产品必须经过两次的宽温测试，首先是Thermal Shock，此一测试将温度设定于- 40℃？80℃之间，以每分钟增减10℃、连续50小时的方式检测10部同型产品，10部都通过才算合格，Thermal Shock的下一步是重开机测试，在高低温状态下，各产品被连续开关机10次，测试通过后，生产阶段再以同样方式测试一次，两处测试都必须100％通过，产品才会放行。

要通过这些严格的温度测试，必须在设计阶段就着手，一般来说会从两处进行，第一是机构设计，在防尘考量下，这类特殊嵌入式系统多会设计成密闭与无风扇，这类机构的散热除了借助机箱上的鳍片外，机构内部的热导引设计也是重点。

除机构设计外，另一个重点是板卡设计，而板卡的宽温设计首先是元件选择，包括处理器、时脉产生器、电源模块，都必须挑选经过特殊认证的产品，这些元件组成板卡后，以实验室中的FLOTHERM模拟软件进行热能模拟，使用FLOTHERM测试前，先输入板卡元件的材质种类与测试条件，让系统模拟受测物在不同温度下的运作状况，实验者可在软件系统中自行调整元件的摆放位置，让系统自动执行，从中找出最佳化模式。

学习曲线短 经验才是王道

目前嵌入式系统的温度问题，「热」通常会比「冷」来的严重，由于会有宽温设计的系统，多为企业所使用，而其建置的嵌入式设备，主要都是作为企业运作之用，因此稳定度是此类系统的必备条件，不过稳定度并没有任何标准，再加上应用企业的种类繁多，所要求的系统条件又不只宽温一项，要面对各种客户、各种产品，分别提出对应的定制化设计，难度就已相当高，在此情况下还要兼顾稳定性，无疑是难上加难。

这类产品设计时，专业已是必要条件，真正的竞争条件则来自于经验，由于这种应用场所不一的产品，其问题只有在实际运作时才会发生，而且问题发生时，往往不是只有单一重点设计就能解决，像是车体内的嵌入式系统，必须同时面对多尘与高低温考验，在设计时必须同时解决这两个问题，而这两个问题的解决方式又是互斥，为了防尘，机箱必须设计成密闭，但是密闭对散热又有致命性影响，如何解决这些问题，就必须靠经验。

但问题是这类嵌入式产品往往有着少量多样的特性，单一产品所累积的经验并不多，在学习曲线被迫缩短的情况下，必须做出远高于一般产品的可靠度，挑战相当大，因此对特殊应用的嵌入式产品厂商来说，各种可靠度检测的标准便成为一道得以依循的规范，厂商必须除了藉由单一应用来累积制造经验，也必须触类旁通，援用类似经验，像是用在工厂锅炉旁的设备，其环境也与类似车体类似，其设计模式加修改，就可用在不同领域。

随着宽温设计逐渐成为企业使用的嵌入式产品设计重点，其受重视的程度将与日俱增，系统整合厂商或导入企业在考量需求时，可多谘询系统开发商，善用其身后经验，降低研发时间与成本，从而建置出最适用的嵌入式系统。