寬溫設計 讓嵌入式系統冷暖自如

應用於工廠環境的嵌入式系統，寬溫已成必備的設計要點。（Siemens）

企業使用的嵌入式系統，其運作環境相當多種，因此設計也需與之相應，其中寬溫已經成為此類產品的必備設計，寬溫設計可以讓設備在極低與極高溫度中穩定運作，成為企業的最佳幫手。

相較消費性產品，嵌入式系統的使用環境較為多元，除了一般室內環境外，室外環境、工廠廠房、車體…等，都有可能是其建置之處，這些場所的環境條件多相當惡劣，像是多塵、震動大、高低溫等，這些因素都有可能造成系統停擺甚至故障，因此防塵、防震、寬溫，就成為特定應用的嵌入式產品設計重點，其中寬溫已成為此類產品的必要設計。

就各種環境條件來看，「熱」無疑是嵌入式系統故障的第一要素，以一般桌上型電腦來說，機箱內的溫度達40℃時，系統就會開始不穩，至於沒有寬溫設計的嵌入式系統，則到60℃時，就會出現熱當機的狀況，至於「冷」造成的影響，則是會導致系統無法開機，尤其當溫度低於0℃，情況通常會更嚴重。

寬溫設計的4種對應環境

目前嵌入式產品所有需要寬溫設計的應用場所有4類，包括室外環境、密閉空間、移動空間、特殊空間。分析如下：

1．室外空間：位於室外的嵌入式設備比一般想像中要多，像是最近爭議頗多的ETC系統、建置於大樓外牆的大形數位看板等，溫帶國家的這類場所，其溫度不會有太大變化，一般消費性嵌入式產品所設計的0℃？40℃即可應付所需，但是高緯度國家（北歐、北美）或熱帶國家（埃及、非洲），其低溫有可能達到-20℃（如最近的北美暴風雪），高溫有可能達50℃（如2013年夏天澳洲最高溫為49.6℃），在此環境下，位於室外的嵌入式系統，就必須要有寬溫設計以為因應。

2．熱源空間：這類場所多為工廠環境，像是建置在鍋爐旁的工廠自動化設備，工廠自動化設備多優先應用於3K環境（辛苦、骯髒、危險），其中鍋爐因為高溫，就屬於危險一環，因此應用於此的嵌入式設備，其溫度設計至少需有50℃以上。

3．移動空間：移動空間主要為車體內部，車體內部又包括車廂內外兩部份，車廂內一般認為有空調設備，溫度相當宜人，但是那是人在車中才會有的狀態，當車子停在室外，夏天的陽光照射加上空間密閉，其溫度有可能高達50℃以上，即便系統未運作，也有可能造成損毀，車廂外則多為車輛運作系統如引擎旁等處，會建置於此的嵌入式系統多為感測設備，用以偵測車輛狀態並將資訊提供給駕駛，車廂外的熱度來源有二，一是不易散熱的車體密閉空間，二是引擎所散發的熱氣。

4．特殊空間：此類場所主要為航太應用，從是數萬英呎的大型客機到更高的外太空機具，這種應用的寬溫需求更嚴苛，而且還需有其他設計，像是防腐蝕、氣壓等。

上述這4類應用的寬溫需求，都非一開始即產生，除了航太應用外，其他領域剛開始都是採用消費性產品，長期使用後發現故障頻傳，才開始有寬溫設計，最明顯的例子就是之前曾建置過一段時間的台北市公車LCD螢幕，在沒有寬溫與防震的設計下，其故障率隨著建置時間逐漸攀高，導致後來漸漸消失，這類建置失敗經驗累積到一定程度後，嵌入式系統的供需雙方才逐漸培養出特殊規格的設計概念。

層層測試 為寬溫把關

目前寬溫雖然已成特殊應用的嵌入式系統基本概念，但與一般消費性嵌入式產品相比，其產品比例仍不大，因此仍未有具公信力的第三方機關制定出標準標準，專攻相關領域的系統廠商，多必須自行設置實驗室以測試產品，並於測試後印上自己的合格標示，雖是私人企業自行認證，不過由於供需雙方均是長期配合，為顧及商譽，品質相當可靠，其合格標示也已具一定公信力。

在實驗室中，產品必須經過兩次的寬溫測試，首先是Thermal Shock，此一測試將溫度設定於- 40℃？80℃之間，以每分鐘增減10℃、連續50小時的方式檢測10部同型產品，10部都通過才算合格，Thermal Shock的下一步是重開機測試，在高低溫狀態下，各產品被連續開關機10次，測試通過後，生產階段再以同樣方式測試一次，兩處測試都必須100％通過，產品才會放行。

要通過這些嚴格的溫度測試，必須在設計階段就著手，一般來說會從兩處進行，第一是機構設計，在防塵考量下，這類特殊嵌入式系統多會設計成密閉與無風扇，這類機構的散熱除了借助機箱上的鰭片外，機構內部的熱導引設計也是重點。

除機構設計外，另一個重點是板卡設計，而板卡的寬溫設計首先是元件選擇，包括處理器、時脈產生器、電源模組，都必須挑選經過特殊認證的產品，這些元件組成板卡後，以實驗室中的FLOTHERM模擬軟體進行熱能模擬，使用FLOTHERM測試前，先輸入板卡元件的材質種類與測試條件，讓系統模擬受測物在不同溫度下的運作狀況，實驗者可在軟體系統中自行調整元件的擺放位置，讓系統自動執行，從中找出最佳化模式。

學習曲線短 經驗才是王道

目前嵌入式系統的溫度問題，「熱」通常會比「冷」來的嚴重，由於會有寬溫設計的系統，多為企業所使用，而其建置的嵌入式設備，主要都是作為企業運作之用，因此穩定度是此類系統的必備條件，不過穩定度並沒有任何標準，再加上應用企業的種類繁多，所要求的系統條件又不只寬溫一項，要面對各種客戶、各種產品，分別提出對應的客製化設計，難度就已相當高，在此情況下還要兼顧穩定性，無疑是難上加難。

這類產品設計時，專業已是必要條件，真正的競爭條件則來自於經驗，由於這種應用場所不一的產品，其問題只有在實際運作時才會發生，而且問題發生時，往往不是只有單一重點設計就能解決，像是車體內的嵌入式系統，必須同時面對多塵與高低溫考驗，在設計時必須同時解決這兩個問題，而這兩個問題的解決方式又是互斥，為了防塵，機箱必須設計成密閉，但是密閉對散熱又有致命性影響，如何解決這些問題，就必須靠經驗。

但問題是這類嵌入式產品往往有著少量多樣的特性，單一產品所累積的經驗並不多，在學習曲線被迫縮短的情況下，必須做出遠高於一般產品的可靠度，挑戰相當大，因此對特殊應用的嵌入式產品廠商來說，各種可靠度檢測的標準便成為一道得以依循的規範，廠商必須除了藉由單一應用來累積製造經驗，也必須觸類旁通，援用類似經驗，像是用在工廠鍋爐旁的設備，其環境也與類似車體類似，其設計模式加修改，就可用在不同領域。

隨著寬溫設計逐漸成為企業使用的嵌入式產品設計重點，其受重視的程度將與日俱增，系統整合廠商或導入企業在考量需求時，可多諮詢系統開發商，善用其身後經驗，降低研發時間與成本，從而建置出最適用的嵌入式系統。