檢視BOX PC高穩定性應用關鍵

車載用BOX PC，針對震動的防護需求要求相對較高。iGoLogic

前言：雖然多數嵌入式應用，即便改採一般常規桌上型電腦設備，也能勉強應用、運行，但對於嵌入式系統要求的高穩定性、與處於高風險下的營運問題，若產生任何設備誤動作所造成的損失，可能會省下設備建置成本高更多，這也是為甚麼號稱更為強固、耐用的BOX PC市場歷久不衰的存在價值，而BOX PC在規格上與一般常規PC近似，但卻擁有更寬的工作溫度，兼具耐震、防塵…等優異規格，又為何擁有穩定度更高的運轉表現…

本文：
對於工業或特殊應用環境而言，工作現場的環境問題因素相當複雜，可能會有高溫、潮濕、高振動與通風不良…等多種環境現況，但對於生產線或工作環境又不可缺少的輔助用運算系統，其運作品質若沒有採取適當防護措施，所提供的服務品質必定因此而大打折扣，甚至造成無謂損失。

針對各種不同應用環境需求設計，具高環境耐受度的BOX PC，就是為了解決這類受環境限制、卻又必須就近提供運算服務的場合所設計，而BOX PC電腦除在機殼設計上看起來較一般常規電腦擁有更強固設計方式，或是體積明顯較一般常規電腦來得小，其實其在整體的電源供應、散熱考量、零件配置亦針對惡劣環境預先規劃最佳配置。本文目的在於討論BOX PC的主流應用架構與內部針對惡劣使用條件的輔助強化設計，例如如何在通風不良的機殼內解決散熱問題，與BOX PC在元件選用與設計各個重點所創造的高環境耐受性設計優勢。

BOX PC已深入工業與生活應用

其實BOX PC並不是新觀念，而且目前的常規電腦也有出現採BOX PC概念設計的產品，而BOX PC的產生，應是針對市場需求不斷演進、開發的而來產品線，除一般常規PC的應用需求外，BOX PC也早已深入生活應用中。例如，遊樂園開放空間置放的Kiosk，裡頭可能擺的就是BOX PC，而平日搭乘的電梯面板背後的中控核心系統，也可能是BOX PC整合相關按鍵控制延伸應用，另在街邊設置的LCD、LED多媒體數位看板，背後的顯示播放主控電腦，大多也是利用BOX PC負責關鍵的展演核心架構。

從貼近生活的應用方式觀察，會發現BOX PC對於戶外或高溫、潮濕環境應用上，具備較寬廣的環境參數耐受力，運用獨特的機殼、電源配置與散熱規劃，解決一般常規PC無法在惡劣應用場合的限制，搭配BOX PC本身即具備是一部Wintel架構縮小版設計，其擁有100%相容Windows平台的基礎優勢條件，對於導入這類BOX PC應用的廠家，則可以將原有針對Wintel開發的應用程式快速移轉，甚至藉此加速系統的開發時程，讓生產力大幅提升。

檢視BOX PC的強固設計定義

BOX PC的應用優勢，在於提供的「更可靠」的運作環境，讓惡劣條件下也能應用完整的運算服務，但強固的定義沒搞清楚，也可能在選擇合用的BOX PC就會產生實務的應用落差。例如，BOX PC與一般常規電腦相同，也會遇上需要重開機的狀況，但重開機後會不會造成附加損害(如造成生產線中斷，或是衍生安全問題)，就成為選擇BOX PC規格的重要關鍵。

一般商用電腦的運作額定溫度設定在0~40℃，幾乎多數系統平台均可輕鬆滿足此應用需求，但對於部份戶外用途(如Kiosk)，強固的定義即必須滿足更寬的工作溫度，甚至針對部份寒帶地區，需提供零下20℃也能啟動開機的基本能力。而除了運作的環境溫度條件外，例如，BOX PC的強固表現還得應付運作場合的無預期劇烈震動、突發高溫，甚至碰撞衝擊…等環境耐受條件，而在這些狀況下系統還能順利完成運算任務，這才算合格。

除了一般定義的「強固」要求外，其實也有針對「極端」強固(Extreme Rugged)的要求設計，這類相對具更大環境耐受力的BOX PC，可能就必須具備處理偶發性的系統當機自動恢復的機制，或遇上如接觸不良或是主機板錫裂…等嚴重系統問題，也可透過系統備援設計取代原有主機的應用服務功能，以維持系統正常運作，但這類特殊性的要求多半以大眾運輸、海運、空運與軍用應用目的居多，自然必須採取最高規格的設計與驗證，採高標準製造要求面對。

針對不同應用領域檢視設計要求

BOX PC先前也提過，屬於在整體設計對環境耐受度相對提升的電腦設備設計，而當電腦運用於工廠、戶外、車用…等不同場合，其實際的應用需求就必須針對導入環境，再進行深入評估，例如，環境的溫度範圍、震動、衝擊、灰塵與溼度，都必須找到對應的檢核數據進行評估，例如觀察IP/NEMA進行評估。

但目前多數BOX PC設計僅在體積上儘可能縮小，搭配主？被動散熱機制與較高等級的電源供應器，組成一個相對強固的系統平台，若採取戶外架設的應用時，此時系統就必須導入更多模組化的補強措施(ruggedizing)，在規劃系統時不只看主機的規格內容，必須將升級配件與應用環境相關的升級解決方案納入考量，以補強其系統穩定性能。此外，工程師也可針對BOX PC條件自行施以補強措施，例如，善用散熱膠或gap filler減少元件與散熱器間的熱阻抗，或強化其散熱效能，另外，也可以搭配更強力的被動散熱機制，例如，在重點晶片將鋁擠型散熱鰭片改換為導熱效果表現更好的導熱銅管(copper chimneys)，以加速系統的熱交換效率，或是直接採購無風扇(Fanless)設計的BOX PC，系統一開始就未採行機械式的散熱機制，自然可改善其系統穩定性(mean time between failures；MTBF)。

即使一款號稱散熱設計良好的BOX PC，但其解決方案仍需透過內部設計觀察，檢視長時間不中斷運作下的可靠性表現。以電子元件的運作狀況觀察，通常只要機殼內的溫度持續提高，當機殼內部溫度上升，這也代表著內部的電子零件可靠度也會因此直線下滑。在實際的設計中，工程師必須將熱源與外部環境間的熱阻儘可能減低，或採取更具效率的熱傳導解決方案，將系統核心的熱源分散到外部進行散熱處理，觀察其散熱機制運作概念，則可協助找到合用的BOX PC設計。

機型尺寸與工業標準

多年來，常規的桌上型電腦技術，與強調體積小、穩定性高的嵌入式系統，其實已難以分出設計界線，例如，常用的南？北橋系統晶片，在嵌入式應用與常規PC設計間，主機板的規劃幾乎沒什麼差異，而BOX PC在處理器選用部份，則多半挑選低TDP(Thermal Design Power)的處理晶片(例如Atom)，以減輕BOX PC的內部散熱負荷。

在關鍵零組件多半類似的狀況下，兩者採近似的工業標準也成為常例，例如，電腦業為使電腦體積有效縮小所提出的SFF(Small form factor)設計主機板，也常在BOX PC設計中看到。而在BOX PC多沿用常規PC的架構、I/O，關鍵零組件(如處理器、硬碟、記憶體…等)也大量沿用，這同時讓BOX PC服務與維修有了更多技術奧援。

震動問題的改善方案

至於號稱可積極應對極端嚴苛環境所設計的系統，在實際應用時需面對的也不只有溫度問題，還有諸如震動、衝擊…等設計瓶頸等待改善。觀察目前電腦系統最不耐衝擊的元件，就屬機械性裝置較為嚴重，例如風扇與硬碟機，而風扇問題在BOX PC大量導入Fanless設計下，雖已排除風扇故障的問題，但經由振動導致的散熱問題，也不能不列入評估。例如，較廉價的BOX PC其散熱鰭片多採散熱膠與晶片表面貼合，但經過長時間高溫與震動，容易使散熱膠失去黏性或產生龜裂，造成散熱效率下滑。

在BOX PC中，多數設計即將系統機殼就當成最大的散熱鰭片，在系統核心晶片上方，置入延伸型的熱導散熱鋁片設計，有些設計方式是直接將系統晶片的散熱鋁片，與主機外殼直接嵌合，就是要將系統晶片的高溫導引至外殼進行Fanless的散熱機制，但實際上這種設計卻有不耐震動的設計缺陷！例如，當外部震動或衝擊力道襲來時，機殼的衝擊力若直接透過散熱片導引至主控晶片，此即將主控晶片與系統晶片置於直接衝擊的角色，這會導致增加晶片與主機板間錫裂的機率，間接讓系統的穩定性降低、故障率提升。

比較折衷的做法是，若真的要將外部機殼作為散熱機制的一部份，那就必須準確設置好衝擊的隔離系統，例如，在引導熱源傳導的鋁材或導熱管，就必須追加機械式的傳導緩衝設計，透過卡榫或接片的方式，讓外部衝擊不會直接影響晶片散熱，而晶片所產生的高熱又可將熱源有效傳到到外部機殼，形成更有效率的散熱環境。

另外，目前常用的被動散熱策略就是採行大型散熱片，但這類散熱片若採單純的散熱膏黏著於晶片表面，在長時間高溫與震動的應用條件下，散熱膏也極易產生龜裂、剝離，影響其散熱效率。一般的做法是將PCB設置固定鎖扣，搭配彈性彈簧或固定金屬件，牢牢的將散熱鰭片與主機板嵌合，雖然成本較高一些，至少對於實際運作的穩定性具一定程度的助益，尤其是車載應用，這類設計小細節更不能忽略。

而內置主機板的部份，在BOX PC也導入單板電腦的設計概念，採用低TDP的處理器，並將處理器、記憶體等以前可換用的零組件直接銲在主機板上，藉此達到壓低成本的優點。但如此一來，大量PIN腳的銲點，若因為主機板變形或是長時間震動環境，也很容易出現錫裂故障問題，在主機板設計部份就必須再生產製造過程加諸迴銲操作，減少銲點因主機板定向應力造成錫裂衍生的故障現象。

另外，基於BOX PC比較的重點，都著重於熱處理與衝擊、震動設計改善，因此關於熱環境、衝擊與震動條件的測試數值表現，更是評估這類系統的關鍵因素，例如，MIL-STD-810F、Method 514.5 Category 4震動測試，透過縱向、橫向與垂直三向的震動模擬檢視其承受程度，例如，在振動頻率自10~500Hz的狀況下，該系統是否足以應用正常運作？或維持在此要求震動範圍內的最常運作時間，即為評估系統的關鍵因素。

針對穩定性的儲存設計要求

一般BOX PC在系統預設多半還是採硬碟式的儲存配置，但硬碟與風扇的問題差不多，也是機械性元件較多的零組件，很容易受到震動或衝擊影響其運作穩定，甚至成為系統穩定運行的隱憂。若是要將BOX PC用於高震動的環境，目前有DOM(Disk On Module)、SSD或是CompactFlash儲存卡等多種儲存解決方案，都可以達到建構高穩定、高耐震的系統需求。

改換非硬碟的Flash Memory解決方案，除了高耐震優勢外，其實Flash概念的儲存設備，由於體積較小，也可很容易做到雙重備援的系統設置，例如，有些BOX PC就支援雙CompactFlash系統磁碟交互備援設計，可以達到當其中一組CompactFlash磁碟出現硬體故障時，系統隨即利用另一個備援的CompactFlash磁碟，進行系統重新啟動、運行，如此一來就不會有系統磁碟故障整體系統隨即停擺的問題。

加上CompactFlash具備小體積優勢，與目前CompactFlash積極針對傳輸效能進行改善，目前SanDisk已有推出採UDMA-6的高速CompactFlash，其傳輸效能高達90MB/s，同時具備-25~85運作條件，與防潮、防塵優勢，以CompactFlash儲存解決方案，亦可應付多元的BOX PC應用需求。