海拔高度对电子产品性能的影响及要求

电子产品主要组成模组包括CPU、RAM、ROM、时钟、AC/DC电源、PCB、外围电路器件电容/电阻/电感、结构件。海拔高度发生变化，温度、湿度、空气密度、大气压强也随之变化，那么海拔的变化对电子产品会产生怎样的影响呢？

查看下述两个表数据，海拔每升高1km，相对大气压力约降低12%，空气密度约降低10%，绝对湿度随之降低，最高温度降低5 ℃，平均温度降低5 ℃。那我们可以从大气压强、湿度、温度三个维度评估海拔升高对电子产品工作状态、抗扰度、生命周期等要素的影响。

*注：标准状态下大气压力为1，相对空气密度为1，绝对湿度为11 g/m3。

1、环温下降对机器启动的影响

温度过低可能致使机器不能启动。原因是低温影响自由电子数量及电子运动速率，进一步导致部分器件无法正常工作。故在实际应用中元器件按照操作温度分军规（-55℃~+85℃）、工规（-25℃~+70℃）、商规（0℃~+60℃）三类。器件启动异常的临界温度点可以称为极限温度，一般低于或高于操作临界值。

因为PNP、NPN等是元器件（芯片）的基本组成元素，故我们以升温对三极管电流影响曲线图为例分析，可明确温度升高会使自由电子数量增加且运动速率加快，电流增大。温度降低则反之，则当自由电子数量无法满足器件开始工作临界条件时，机器无法启动。

2、空气密度下降对产品散热性能影响

热量传递有三种方式：热辐射、热传导、对流传热。对于计算机类产品，三种散热方式一般都会交叠使用，如：

1）热辐射：机箱或器件作为热源向空气辐射电磁波，向空气传递热量，器件辐射的热量开始阶段依旧存在于机箱内；

2）热传导：散热片/散热器被动散热，器件表面热量通过接触面传导给散热器，散热器热辐射到空气中；

3）热对流：自然风流或风扇主导的强制空气对流，机箱内热量通过空气对流传递到机箱外空气中；

我们可发现无论是热辐射还是热传导，如果热量是传递到机箱内空气中，最终需要通过热对流传递到空气外，而热对流需要空气介质，就像真空中热量只能通过热辐射传递（月球有热源时最高温127℃，无热源最低温-183℃），空气密度下降将导致同功耗情况下，对产品散热效率要求更高，继而对散热设计提出新要求。

下述分别是海平面、高空情况下的传热系数、芯片测温点温度值对比：

如上图，假如CPU的温度在海平面的温度为68.3度，环境温度为35度，可以推导出在海拔1500m的温度为（68.3-35）x(1+0.00009x1500) +35 =72.8度。

3、空气密度下降对产品绝缘性能影响

EMC（Electro Magnetic Compatibility）绝缘测试有介质强度（AC/DC，施加于回路与回路之间或回路与GND之间）、绝缘电阻（直流，施加于回路与回路之间或回路与GND之间），以这两项测试为基准分析随空气密度下降，产品绝缘性能的影响。

实验中产品测试绝缘不合格的直接表现是漏电流超过标准要求，导致漏电流超标的原因有：爬电距离不足导致电弧放电短路、器件耐压性能不足导致被击穿。

如下图，蓝色虚线表示PCB介质导电最短路径，红色虚线表示电弧爬电最短路径，对于设计定型的产品,由于其电气间隙已经固定，随空气压力的降低，其击穿电压也下降。空气压力或空气密度的降低使空气介质灭弧的开关电器灭弧性能降低，通断能力下降和电寿命缩短：a）直流电弧的燃弧时间随海拔升高或气压降低而延长；b）直流与交流电弧的飞弧距离随海拔升高或气压降低而增加。

故随海拔升高，安全间隙需要增大，参考标准UL/EN 60950-1，以2000m海拔为基准，系数/安全距离与海拔/气压之间关系如下表

4、大气压降低对电容器影响

电容器按照不同的功用有十多种分类，其中按电解质分类：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器、电热电容器和空气介质电容器等。特别对于液态电解质电容器、空气介质电容器，当海拔升高，气压降低：

1）电解电容的内外部的压力差会变大，放电电压降低，导致电容器内部的局部放电问题；

2）昼夜温差会变大，同时内部外部的压力差也变大，对密封性及结构强度要求更高，否则可能鼓包；

本意想尽量从原理上理解为什么气压下降会导致上述4个问题，比如分子运动、电子运动以及现象产生原因。此文仅分析了影响，未给出对应解决方案。