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技術文章

2022-11-21

德承 Cincoze 無風扇嵌入式電腦的散熱設計

德承 Cincoze 無風扇嵌入式電腦的散熱設計
 

德承 Cincoze 無風扇嵌入式電腦的散熱設計


從汽車工廠工作站上的自動撿料手臂,到礦場的自動採礦車,甚至是海上自動鑽油平台,嵌入式電腦被廣泛運用在各式各樣的應用環境中,舉凡智慧製造、車載運輸、軌道交通、能源礦業等都可以看到嵌入式電腦,提供運算、串接、數據分析、即時聯網等功能。但也因為安裝的環境充斥著許多不確定的惡劣因素,散熱是嵌入式電腦運作穩定的關鍵元素之一。以強固、可靠、符合應用需求聞名的德承無風扇嵌入式電腦,除了擁有優於業界標準的寬溫設計 (-40°C至70°C),其專有的散熱結構設計更是讓電腦穩定運作的核心。

 
解密德承 Cincoze 散熱解決方案
 

解密德承 Cincoze 散熱解決方案


溫度過高,除了會影響電腦零件的使用壽命外,還可能造成熱當機或 CPU 降頻導致效能降低的狀況。如何在效能與散熱之間取得平衡,各家嵌入式電腦廠商各有其獨特的竅門。在解密德承 Cincoze 散熱解決方案之前,應該先了解電腦主機板上運作時會產生熱能的來源,舉凡 CPU, Chipset, GPU, LAN Controller, Choke, MOSFET 等等都會因為運作而產生熱能。一般來說,電腦有二種冷卻方式可供選擇:一種是主動冷卻 (active cooling),是使用風扇來降低電腦零件的熱能。另一種則是被動式冷卻 (passive cooling),是利用特殊散熱結構設計來達到將熱能迅速帶離主機。

而訴求專為嚴苛環境所打造的嵌入式電腦,由於安裝環境極為廣泛,也許是悶熱潮濕或是寒冷的戶外,又或是充斥著灰塵、木屑的工廠產線,惡劣的環境因素是必須考慮的重點。德承嵌入式電腦選擇了封閉式的無風扇設計,除了增加強固性外,也可有效杜絕灰塵堆積在電腦內部而影響運作的風險。

德承無風扇嵌入式電腦散熱解決方案,從產品設計初期就由研發單位的電腦熱流設計工程師(Thermal Design Engineer) 經過精密設計與計算,透過層層堆疊的散熱結構安排,讓散熱的速度優於 CPU 或 GPU 發熱的速度,呈現最佳的散熱效果,在效能與散熱間取得最佳的平衡。

 
 
德承嵌入式電腦 - 熱能傳遞架構
 

德承嵌入式電腦 - 熱能傳遞架構


主要發熱元件 - CPU

CPU 為電腦運算的核心,主要在處理算術、邏輯運算,解讀電腦內的每個指令來控制電腦的運作。當進行多工任務處理時,CPU 的高速運轉就會產生熱能,也是電腦中主要熱能產生的來源。

散熱塊 (Heatsink)

依據金屬不同的特性,德承善用鋁的散熱快、銅的導熱快優勢,在散熱塊的設計會依據需求,適切的安排銅管與鋁塊的搭配,以最快的速度將熱能向上或向外傳遞,避免熱能積壓。

散熱片 (Thermal Pad)

CPU 與散熱塊或散熱塊與鋁擠上蓋間,通常會使用散熱片 (thermal pad),可減少縫隙間的空氣存在。德承選用的散熱片以低熱阻 (thermal resistance) 矽膠為基材,導熱係數 (thermal conductivity) 最高可達 12.5W/mK,運用其高導熱效能,降低接觸熱阻,達成最好的熱傳遞效果。

銅導管 (Cooling Copper Pipe)

在鋁擠外殼內會裝置導熱優異的銅導管,能夠迅速的將熱能往鋁擠上蓋進行傳遞。常見使用於擁有高瓦數 CPU 和 GPU 機種的散熱上。

鋁擠外殼 (Aluminum Extrusion Case)

德承嵌入式電腦的外殼是使用散熱效果傑出的鋁所製成,並經過德承電腦熱流設計工程師 (Thermal Design Engineer) 精算後,在鋁擠外殼上安排不同高度、形狀、數量的鰭片,透過極大化的散熱面積來加快散熱的速度。除此之外,德承獨特的一體式成型機殼 (unibody chassis),除了提升強固性外,比起市面其他嵌入式電腦採用的分離式機殼,散熱效率也更好。

 
國際級的寬溫認證
 

國際級的寬溫認證


為了提供最符合應用需求的嵌入式電腦,德承投注許多的資源在研發中心,設立不同的實驗室,如 EMC 實驗室、Signal 實驗室、硬體實驗室、溫度實驗室等等。其中溫度實驗室是確保德承嵌入式電腦能夠在 -40°C 至 70°C 的寬溫下,處理多工任務時仍能保持穩定且順暢的運行。此外,針對不同的應用,德承嵌入式電腦也陸續通過以下測試標準:

 
測試標準測試項目
IEC60068-2-1低溫測試:目的是確定部件、設備在低溫下使用、運輸或儲存的能力。
IEC60068-2-2乾熱測試:目的是確定部件、設備在高溫下使用、運輸或儲存的能力。
IEC60068-2-14高低溫度變化測試:目的是可確定部件、設備承受突然和劇烈的溫度變化的能力。在一定的快速溫度變化之後,評估電氣和機械性能。
EN 50155鐵路乾熱標準:測試電子設備在乾熱環境下高溫運行的性能

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