在严苛的使用环境不间断的运行的条件下仍可以保持较长的使用寿命和高稳定性是嵌入式计算机的基本要求。
与此同时，嵌入式处理器的计算能力不断增加，器件和系统则越来越紧凑。这使得现阶段的核心板和单板机非常适合用于独立运行的便携系统、智能医疗和家用设备、太阳能控制系统或电动汽车充电站的控制系统，以及许多其他领域。
随着性能的提高、系统尺寸的缩小，嵌入式系统的热量产生和散热就变的越来越重要。
嵌入式系统何时需要散热？
嵌入式计算机及板上器件通常根据扩展温宽进行设计，并可以根据使用场景期望的运行温度选择匹配的器件。
对于 PHYTEC 来说，这意味着我们需要在用料方面精准考量，例如，使用材质为 X7R 的电容器，这种电容器在整个生命周期中具有最低的退化率，因此即使在较高温度下使用，仍可在产品的整个生命周期内保持其技术特性稳定。
PHYTEC 提供三种产品温度等级的模块，分别是 I 级（工业级）、X 级（扩展商业级）和 C 级（商业级）。此表格标明了处理器、RAM 和其他/无源组件设计的温宽。
低温可以保障产品的长寿命和低故障率
无论如何，嵌入式系统在运行过程中保持尽可能低的温度，以达到它的最长使用寿命和最低故障率。过热可能导致系统的损坏甚至整个硬件的失效。
因此，高效的热管理是必要的。它确保电子设备能够在较长的时间和较高的环境温度下保持其性能，并且不必为了防止过热而降低时钟速度和计算能力。
热管理的目标是尽可能低的产生热量并实现最佳的热传递。
处理器使用主动散热还是被动散热？
如果电子组件产生的热量无法通过组件本身完全且充分地传递出来就需要采取额外的散热措施。
主动散热和被动散热是有区别的：
主动散热的方式有很多，例如使用风扇进行散热，效果也很好，处理器即使在产生高热量的情况下也能正常工作。然而，由于其具有较大的的机械部件并额外需要能量，主动散热对于嵌入式模块来说并不太适用。
在这种情况下，我们更倾向于采用不需要额外活动部件的被动散热。不需要能量，也不产生噪音，无磨损并且免维护。
在嵌入式系统的散热方面，您面临的挑战是什么？
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嵌入式硬件的高效温度管理的方式
下面是几种比较成熟的被动散热方法，可以单独或组合使用：
- 外壳的设计方面需要考虑到空气流动-可以在外壳内部或外壳外部进行设计，以使传递给外壳的热量可以传递到外部空气中。
- 散热器使用散热胶产生热量的器件（如处理器、电源管理芯片（PMIC）和 RAM 器件）接触。通常它们的表面积都比较大，可以有效地将热量转移到环境中。这样的散热器还可以作为缓冲，吸收和分散短暂产生的热量。
- 传热板，又称为导热板，它可以将热量从源头散发出去。例如，传递给散热器，或者当外壳本身无法再散发热量时，可以将热量分布调整到系统的外壳或其周围。
- 导热垫或是导热硅脂与前面提到的所有散热元器件一起使用。可以在组件和散热器之间实现最佳的热传递，并避免了空气间隙。
- 此外，还有其他热管理和散热的方式，例如通过调节外部环境或是通过对处理器的负载进行监控和动态控制。
当嵌入式处理器过热时会发生什么？
当嵌入式处理器达到一定的温度值时，首先会降低计算核心的时钟速度和电压。这被称为“动态电压和频率调整（DVFS）”，控制处理性能的方法在 Linux BSP 中已有定义。
在测试和选择散热方案时，应也将降低处理器性能这一选项考虑在内。作为替代和补充方案，如果可以实现的话，可以在 BSP 中集成对风扇的主动散热控制。
严重的高温还会导致处理器的紧急关闭，以防止不可逆的故障和损坏。在设计中也应考虑到这种行为和后果，例如系统如何进行重置和重新启动。
以上是使用基于 phyCORE-i.MX 8M Plus 核心板的单板机的热量生成的实际测量示例，包括散热器和风扇的主动散热，以及降低处理器性能的情况。
如何为我的嵌入式系统选择被动散热方案？
热量的产生原理、散热的需求以及器件的选择和尺寸确定需要专业的知识和经验。
首先，必须了解电子设备使用的环境条件。处理器和其他组件的热规格，以及在不同负载情况下的功耗和产生的热量，为散热方案的定制提供了所需的信息。这些数值可以在实验室中使用原型进行模拟和验证。
如上图所示的某个基于 i.MX8M Plus 处理器项目的热成像图，为嵌入式处理器的热量产生和散热要求提供了必要的信息支撑。
嵌入式散热系统的模拟和实验室测试
为了选择合适的散热器，可以将其热阻和可能的功耗与模拟或实验测试的数据进行比较。结合其他要求和条件，例如可用空间和外壳的材质，可以得出最适合应用的散热系统。
PHYTEC 在嵌入式处理器散热系统的选择方面为客户提供的以下支持
PHYTEC 提供针对核心板和单板机以及客户定制的电子设备产品的全面数据支持。
这些数据支持包括了针对各种应用场景在全负荷和部分负荷下的温度测量，必要时包括主动散热的情况下对产品的温度测量。
对于 PHYTEC 的核心板，我们提供多种经过验证的导热板作为标准采购零件，并提供组装说明，可以根据客户的需求进行个性化调整，以适应不同的外壳和散热器。
根据客户的要求，我们还可以进行散热元件的计算和模拟，并提供与客户特定应用相关的全面专业知识和建议。
作者介绍
Marc Dzierzawa
Marc Dzierzawa 于 2008 年加入 PHYTEC，现在作为研发部门的负责人主要负责公司自有产品和客制化产品的开发和维护。
