对于几乎所有的嵌入式系统应用而言，热管理一直都是非常重要的设计考虑因素。将系统保持在其规定的工作温度范围内从而保护宝贵的计算资产，可以带来更高的可靠性和更长的部署使用寿命，最终降低成本。

未能在系统规定的限制内管理热问题会对系统性能产生不利影响，引起系统错误，或者可能损坏元器件或系统。此外，超过最高工作温度可能导致特定元器件的工作特性产生不可逆的变化。

因此，务必在设计周期的早期通过研究耗散功率和元器件位置、气流路径和常规散热性能来确定系统内部的发热方式，这一点至关重要。通过全面的热分析 和测试来选择正确的热管理解决方案是设计整体取得成功的一大因素。误估和布局错误可能导致系统可靠性、现场故障、更高的工作成本和总体性能等方面的严重后 果。

但是由于系统复杂性随着更高速度和密度的元器件、更小外形的电路板、更小的系统占板空间以及能在更加严苛的环境下工作的要求而增加，有效的热管理 设计明显地变得更具挑战性。新型热管理方案仍在演进，新一代应用可能需要根据系统类型和具体的工作环境，提供更好的冷却解决方案，以便匹配新标准规范(例 如，MicroTCA、CompactPCI、Pico-ITX和其它板外形)。

此外，应对独特或极端的嵌入式计算环境引起的复杂冷却问题，需要相当广泛的热知识以及对现成商品(COTS)标准与定制设计的总系统成本和方案的评估。当前，设计工程师拥有越来越多的热设计方案可供选择。

对于医疗、运输和军事等要求严苛、高度专业的嵌入式市场，完全的COTS冷却解决方案不可能满足散热要求。在这种情况下，半定制或全定制解决方案可以在使用资源、热专门知识和降低总系统成本等方面提供最佳解决方案。

热力学的基本前提是热量总是从高温区域传输到低温区域，它将发挥均衡温差的作用。但是系统设计工程师如何确定特定应用的最佳热管理冷却解决方案呢？

第一步是了解嵌入式系统中所用的主要冷却方法：通过板上风扇和系统风扇实现的主动冷却、无风扇被动对流冷却以及主动或被动传导冷却。产业趋势推动 着有些应用中的热管理方法的发展，有些应用则采用半定制或全定制冷却系统，在不增加尺寸或重量或者不对计算环境产生不利影响的情况下，实现极具成本效益的 热管理问题解决方案。

热管理的目标是确保所有系统元器件在规定的功能温度限制内工作，以获得最佳性能。采用的热管理方法完全取决于具体的应用和设计到系统中的各个器件。设计人员可以通过了解应用器件并全面分析具体应用的热结构，更轻松地找到最佳冷却方案。

主动冷却：板上和系统风扇

使用最广泛的热管理方法是主动对流冷却，采用板上或系统风扇强制空气在系统电路板、电源与其他系统元器件之间流通。这种方法可以通过两种方式实现：一种是通过消耗底座发热的对流冷却方法，另一种是强制热量在整个空心侧壁流通，然后将其传输到外部环境中的冷却方法。

此外，风扇还是一种成本效益最高的系统冷却方案。设计人员发现，采用风扇的最有效的散热方案之一是将风扇直接放在CPU板散热器上(图1)。是否成功取决于为应用选择合适的风扇并采用良好的底座设计实现空气流通。

有 关内部元器件如何影响空气流通路径以及空气如何有效地在器件中移动的考虑因素。是系统设计的关键。此外，底座没有“布线死区”也非常重要，在这种区域中， 空气或多或少流通不畅或者聚集成涡流。一旦这些考虑因素得到满足，即可通过研究风扇的设计和结构来选择最适合项目的风扇。

最近在风扇刀片和承座设计方面的进步可以实现更通畅的气流，并降低噪声和振动，使系统更加安静地工作。每个板上和系统风扇都有不同的环境空气温度热限制，因此建议查看供应商提供的每个风扇的规格。

虽然风扇由于冷却效率高而大受欢迎，但是设计人员应注意某些应用中的可靠性问题。板上系统风扇主要是RPM较高的小型装置，这种装置在全天候工作 时会引发较多的嵌入式应用故障。此外，若应用整合了多个需要冷却的板时也要注意。这种设计需要多个风扇，这样就会产生较多的振动，进一步降低了总系统可靠 性。空间受限的嵌入式系统会耗散较多功率，并且无法容纳较大的风扇，因此对于这种系统而言，板上风扇可能是唯一可行的方案。

对于采用需要高可靠性和严格的平均无故障时间(MTBF)的高性能处理器的关键任务系统而言，最好整合一个或多个尺寸较大的风扇，使空气在系统的所有板中流通。当然，仍然可以在每个板上采用散热器来耗散关键元器件产生的热量。

主动冷却的效果取决于在板上流通的空气量。因此，散热量与获得尽可能多的与散热器接触的空气分子有直接的关系。在电路板布线时这一点尤其重要，因 此系统配置会考虑特定电路板在采用中央风扇的主动冷却系统中将实现的气流量。另一个挑战是确保气流在整个系统中的均衡，从而为每个插槽提供差不多的气流 量。

为了进一步方便进行热分析，电路板供应商可以提供指示在特定温度下足够使电路板冷却所需的气流量的图形。事实上，某些平台(诸如 MicroTCA)的规格明确要求标准电路板的文档包含温度与气流的曲线。假定可以测量或计算每个电路板获得的气流量，设计人员可以通过温度和气流信息确 定系统的热限制。

随着对尺寸更小，更稳健的系统的要求与日俱增，由于功率预算有限和MTBF要求较高，冷却风扇开始出现问题。尽管最近在风扇设计和结构方面出现了 许多进步，但是这种热管理主流方法已经成为引起所有系统中机械故障的主要原因之一。在系统中提供易于更换的热插拔风扇以及通过软件监测风扇速度等应对方案 有助于降低故障风险。

作为机械装置，风扇会产生机械磨损，并引起系统振动。在系统生命周期内，风扇的质量会慢慢下降，甚至完全失效，这会极大地影响系统的热管理效果。除了机械故障之外，使用风扇还增加了功耗，如果实现方式不佳的话，还可能给系统增加相当多的噪声。

此外，空间受限的系统(诸如必须完全密封的箱式PC和系统，如运输应用)无法在热管理中使用风扇。因此，多数板上和主动冷却风扇都应用于机架式工业PC、服务器系统和一些传导冷却系统。

被动对流冷却：无风扇解决方案

无风扇对流冷却是无法使用主动冷却方法和需要中等计算性能的系统的备用热管理解决方案。虽然这类方案被称为“无风扇对流”或“自然对流”方案，但 是名称上有误用之嫌。无风扇应用中的对流冷却通过自然对流，达到使热空气降温的目的来实现。不过这种方案也采用辐射实现额外的散热。

与被动传导冷却相似的是，这种冷却机制允许采用无风扇系统(图2)。不过“自然对流”和辐射机制的冷却效率相当低，从而显示出大大减少的耗散功 率。若板采用6U形状因子(比如VME)，实际散热限制为15W左右；或者采用3U形状因子(比如CompactPCI)，实际散热限制为12W左右。设 计人员一般会考虑采用对流冷却。与功耗为70W或以上的传导冷却板相比时，该散热要求必须相当低。

软件应用可用于对各种冷却方法进行建模(将在下文中讨论)。这些应用可能对自然对流冷却系统特别有用，借助软件应用可以方便确定更为精确的耗散功率阈值。对 于外部空气温度不到60°C且嵌入式CPU结温约为105°C的应用而言，凭经验所得的耗散功率阈值范围一般为12W至15W。