检视BOX PC高稳定性应用关键

车载用BOX PC，针对震动的防护需求要求相对较高。iGoLogic

前言：虽然多数嵌入式应用，即便改采一般常规桌上型电脑设备，也能勉强应用、运行，但对于嵌入式系统要求的高稳定性、与处于高风险下的营运问题，若产生任何设备误动作所造成的损失，可能会省下设备建置成本高更多，这也是为甚麽号称更为强固、耐用的BOX PC市场历久不衰的存在价值，而BOX PC在规格上与一般常规PC近似，但却拥有更宽的工作温度，兼具耐震、防尘…等优异规格，又为何拥有稳定度更高的运转表现…

本文：
对于工业或特殊应用环境而言，工作现场的环境问题因素相当复杂，可能会有高温、潮湿、高振动与通风不良…等多种环境现况，但对于生产线或工作环境又不可缺少的辅助用运算系统，其运作品质若没有采取适当防护措施，所提供的服务品质必定因此而大打折扣，甚至造成无谓损失。

针对各种不同应用环境需求设计，具高环境耐受度的BOX PC，就是为了解决这类受环境限制、却又必须就近提供运算服务的场合所设计，而BOX PC电脑除在机壳设计上看起来较一般常规电脑拥有更强固设计方式，或是体积明显较一般常规电脑来得小，其实其在整体的电源供应、散热考量、零件配置亦针对恶劣环境预先规划最佳配置。本文目的在于讨论BOX PC的主流应用架构与内部针对恶劣使用条件的辅助强化设计，例如如何在通风不良的机壳内解决散热问题，与BOX PC在元件选用与设计各个重点所创造的高环境耐受性设计优势。

BOX PC已深入工业与生活应用

其实BOX PC并不是新观念，而且目前的常规电脑也有出现采BOX PC概念设计的产品，而BOX PC的产生，应是针对市场需求不断演进、开发的而来产品线，除一般常规PC的应用需求外，BOX PC也早已深入生活应用中。例如，游乐园开放空间置放的Kiosk，里头可能摆的就是BOX PC，而平日搭乘的电梯面板背后的中控核心系统，也可能是BOX PC整合相关按键控制延伸应用，另在街边设置的LCD、LED多媒体数码看板，背后的显示播放主控电脑，大多也是利用BOX PC负责关键的展演核心架构。

从贴近生活的应用方式观察，会发现BOX PC对于户外或高温、潮湿环境应用上，具备较宽广的环境参数耐受力，运用独特的机壳、电源配置与散热规划，解决一般常规PC无法在恶劣应用场合的限制，搭配BOX PC本身即具备是一部Wintel架构缩小版设计，其拥有100%兼容Windows平台的基础优势条件，对于导入这类BOX PC应用的厂家，则可以将原有针对Wintel开发的应用程序快速移转，甚至借此加速系统的开发时程，让生产力大幅提升。

检视BOX PC的强固设计定义

BOX PC的应用优势，在于提供的「更可靠」的运作环境，让恶劣条件下也能应用完整的运算服务，但强固的定义没搞清楚，也可能在选择合用的BOX PC就会产生实务的应用落差。例如，BOX PC与一般常规电脑相同，也会遇上需要重开机的状况，但重开机后会不会造成附加损害(如造成生产线中断，或是衍生安全问题)，就成为选择BOX PC规格的重要关键。

一般商用电脑的运作额定温度设定在0~40℃，几乎多数系统平台均可轻松满足此应用需求，但对于部份户外用途(如Kiosk)，强固的定义即必须满足更宽的工作温度，甚至针对部份寒带地区，需提供零下20℃也能启动开机的基本能力。而除了运作的环境温度条件外，例如，BOX PC的强固表现还得应付运作场合的无预期剧烈震动、突发高温，甚至碰撞冲击…等环境耐受条件，而在这些状况下系统还能顺利完成运算任务，这才算合格。

除了一般定义的「强固」要求外，其实也有针对「极端」强固(Extreme Rugged)的要求设计，这类相对具更大环境耐受力的BOX PC，可能就必须具备处理偶发性的系统当机自动恢复的机制，或遇上如接触不良或是主机板锡裂…等严重系统问题，也可透过系统备援设计取代原有主机的应用服务功能，以维持系统正常运作，但这类特殊性的要求多半以大众运输、海运、空运与军用应用目的居多，自然必须采取最高规格的设计与验证，采高标准制造要求面对。

针对不同应用领域检视设计要求

BOX PC先前也提过，属于在整体设计对环境耐受度相对提升的电脑设备设计，而当电脑运用于工厂、户外、车用…等不同场合，其实际的应用需求就必须针对导入环境，再进行深入评估，例如，环境的温度范围、震动、冲击、灰尘与湿度，都必须找到对应的检核数据进行评估，例如观察IP/NEMA进行评估。

但目前多数BOX PC设计仅在体积上尽可能缩小，搭配主？被动散热机制与较高等级的电源供应器，组成一个相对强固的系统平台，若采取户外架设的应用时，此时系统就必须导入更多模块化的补强措施(ruggedizing)，在规划系统时不只看主机的规格内容，必须将升级配件与应用环境相关的升级解决方案纳入考量，以补强其系统稳定性能。此外，工程师也可针对BOX PC条件自行施以补强措施，例如，善用散热胶或gap filler减少元件与散热器间的热阻抗，或强化其散热效能，另外，也可以搭配更强力的被动散热机制，例如，在重点芯片将铝挤型散热鳍片改换为导热效果表现更好的导热铜管(copper chimneys)，以加速系统的热交换效率，或是直接采购无风扇(Fanless)设计的BOX PC，系统一开始就未采行机械式的散热机制，自然可改善其系统稳定性(mean time between failures；MTBF)。

即使一款号称散热设计良好的BOX PC，但其解决方案仍需透过内部设计观察，检视长时间不中断运作下的可靠性表现。以电子元件的运作状况观察，通常只要机壳内的温度持续提高，当机壳内部温度上升，这也代表着内部的电子零件可靠度也会因此直线下滑。在实际的设计中，工程师必须将热源与外部环境间的热阻尽可能减低，或采取更具效率的热传导解决方案，将系统核心的热源分散到外部进行散热处理，观察其散热机制运作概念，则可协助找到合用的BOX PC设计。

机型尺寸与工业标准

多年来，常规的桌上型电脑技术，与强调体积小、稳定性高的嵌入式系统，其实已难以分出设计界线，例如，常用的南？北桥系统芯片，在嵌入式应用与常规PC设计间，主机板的规划几乎没什麽差异，而BOX PC在处理器选用部份，则多半挑选低TDP(Thermal Design Power)的处理芯片(例如Atom)，以减轻BOX PC的内部散热负荷。

在关键零组件多半类似的状况下，两者采近似的工业标准也成为常例，例如，电脑业为使电脑体积有效缩小所提出的SFF(Small form factor)设计主机板，也常在BOX PC设计中看到。而在BOX PC多沿用常规PC的架构、I/O，关键零组件(如处理器、硬盘、存储器…等)也大量沿用，这同时让BOX PC服务与维修有了更多技术奥援。

震动问题的改善方案

至于号称可积极应对极端严苛环境所设计的系统，在实际应用时需面对的也不只有温度问题，还有诸如震动、冲击…等设计瓶颈等待改善。观察目前电脑系统最不耐冲击的元件，就属机械性装置较为严重，例如风扇与硬盘机，而风扇问题在BOX PC大量导入Fanless设计下，虽已排除风扇故障的问题，但经由振动导致的散热问题，也不能不列入评估。例如，较廉价的BOX PC其散热鳍片多采散热胶与芯片表面贴合，但经过长时间高温与震动，容易使散热胶失去黏性或产生龟裂，造成散热效率下滑。

在BOX PC中，多数设计即将系统机壳就当成最大的散热鳍片，在系统核心芯片上方，置入延伸型的热导散热铝片设计，有些设计方式是直接将系统芯片的散热铝片，与主机外壳直接嵌合，就是要将系统芯片的高温导引至外壳进行Fanless的散热机制，但实际上这种设计却有不耐震动的设计缺陷！例如，当外部震动或冲击力道袭来时，机壳的冲击力若直接透过散热片导引至主控芯片，此即将主控芯片与系统芯片置于直接冲击的角色，这会导致增加芯片与主机板间锡裂的机率，间接让系统的稳定性降低、故障率提升。

比较折衷的做法是，若真的要将外部机壳作为散热机制的一部份，那就必须准确设置好冲击的隔离系统，例如，在引导热源传导的铝材或导热管，就必须追加机械式的传导缓冲设计，透过卡榫或接片的方式，让外部冲击不会直接影响芯片散热，而芯片所产生的高热又可将热源有效传到到外部机壳，形成更有效率的散热环境。

另外，目前常用的被动散热策略就是采行大型散热片，但这类散热片若采单纯的散热膏黏着于芯片表面，在长时间高温与震动的应用条件下，散热膏也极易产生龟裂、剥离，影响其散热效率。一般的做法是将PCB设置固定锁扣，搭配弹性弹簧或固定金属件，牢牢的将散热鳍片与主机板嵌合，虽然成本较高一些，至少对于实际运作的稳定性具一定程度的助益，尤其是车载应用，这类设计小细节更不能忽略。

而内置主机板的部份，在BOX PC也导入单板电脑的设计概念，采用低TDP的处理器，并将处理器、存储器等以前可换用的零组件直接焊在主机板上，借此达到压低成本的优点。但如此一来，大量PIN脚的焊点，若因为主机板变形或是长时间震动环境，也很容易出现锡裂故障问题，在主机板设计部份就必须再生产制造过程加诸回焊操作，减少焊点因主机板定向应力造成锡裂衍生的故障现象。

另外，基于BOX PC比较的重点，都着重于热处理与冲击、震动设计改善，因此关于热环境、冲击与震动条件的测试数值表现，更是评估这类系统的关键因素，例如，MIL-STD-810F、Method 514.5 Category 4震动测试，透过纵向、横向与垂直三向的震动模拟检视其承受程度，例如，在振动频率自10~500Hz的状况下，该系统是否足以应用正常运作？或维持在此要求震动范围内的最常运作时间，即为评估系统的关键因素。

针对稳定性的存储设计要求

一般BOX PC在系统缺省多半还是采硬盘式的存储配置，但硬盘与风扇的问题差不多，也是机械性元件较多的零组件，很容易受到震动或冲击影响其运作稳定，甚至成为系统稳定运行的隐忧。若是要将BOX PC用于高震动的环境，目前有DOM(Disk On Module)、SSD或是CompactFlash存储卡等多种存储解决方案，都可以达到建构高稳定、高耐震的系统需求。

改换非硬盘的Flash Memory解决方案，除了高耐震优势外，其实Flash概念的存储设备，由于体积较小，也可很容易做到双重备援的系统设置，例如，有些BOX PC就支持双CompactFlash系统磁碟交互备援设计，可以达到当其中一组CompactFlash磁碟出现硬件故障时，系统随即利用另一个备援的CompactFlash磁碟，进行系统重新启动、运行，如此一来就不会有系统磁碟故障整体系统随即停摆的问题。

加上CompactFlash具备小体积优势，与目前CompactFlash积极针对传输效能进行改善，目前SanDisk已有推出采UDMA-6的高速CompactFlash，其传输效能高达90MB/s，同时具备-25~85运作条件，与防潮、防尘优势，以CompactFlash存储解决方案，亦可应付多元的BOX PC应用需求。