24小时联系电话:18217114652、13661815404
中文
技术专题
坚固的电子设计包含什么？
坚固的电子设计包含什么？
尝试在互联网上搜索“坚固的电子产品”，您可能会发现很多视频显示人们踩着智能手机。坚固的电子设备需要机械地承受冲击，但是坚固的系统除了能够承受人行道上的跌落外，还有更多的东西。这既关乎外壳设计，也关乎组件选择和制造选择。
军用航空设计人员经常使用术语“恶劣环境”来描述电子设备的可靠性和寿命将受到考验的许多场景。如果您想让您的下一个产品真正坚固耐用，在您的PCB布局中采用他们的一些策略会有所帮助。在本文中，我们将研究军用航空设计中使用的一些设计策略，以及工业设计中使用的策略。
坚固电子设备中的恶劣环境是什么？
某些行业标准中定义的术语“环境”可以指从实际环境条件（温度、湿度等）到机械环境（例如，振动）或电气环境（噪声、ESD潜力）的任何事物。坚固的电子设备通常设计用于承受恶劣环境中常见的一种或多种条件：
温度过高或过低
极端和频繁的温度循环
水分和高/低压
机械振动或冲击
高电压/电流放电
颗粒物，如灰尘
氧化性或爆炸性气体
这是一个非常广泛且令人难以置信的列表。通常，您无法设计单个设备来承受上述列表中的所有因素。恶劣的环境很难处理，因为有如此广泛的因素会破坏电子设备。这些问题可能会影响电路板、组件、整个PCBA或以上所有方面。
一些加固策略
下表总结了您可以在设计中实施的一些解决方案，以使其更加坚固并更好地承受上述环境因素列表。
|
环境因素 |
设计策略 |
|
高温 |
传导冷却组合（机箱/散热器），使用热界面材料和风扇，散布热组件，使用陶瓷或金属芯PCB，液体冷却 |
|
低温 |
使用入口保护以防止冷凝，应用直流加热使组件处于正常工作温度范围内 |
|
极端的热循环 |
使用高Tg层压板，不要使用堆叠过孔。 |
|
高压环境 |
还计划针对极端温度进行设计，选择不会内爆的适当组件，使用保形涂层并用惰性气体或绝缘液体填充外壳 |
|
机械振动或冲击 |
尽可能选择通孔元件，设计电路板，使其最低阶谐振频率至少是预期冲击频率的三倍，将大型IC直接焊接到电路板上，而不是使用插座或网格阵列 |
|
放电 |
保持接地靠近机箱和TVS接地，使用ESD保护电路 |
|
颗粒物 |
使用三防漆防止ESD，使用高压密封外壳防止微粒进入 |
|
湿气或氧化性气体的腐蚀 |
使用具有适当化学成分的保形涂料，设计具有高压等级的密封外壳 |
|
爆炸性气体 |
消除任何可能在运行期间产生预期火花的组件（例如继电器），应用ESD保护措施 |
从上表可以清楚地看出，加固跨越了板级。一些解决方案只能在板级实现，而其他解决方案则需要考虑从板到组件和外壳的所有方面。管理这些解决方案的一些行业标准包括：
侵入保护(IP)标准，可限制坚固电子设备中的水分侵入
MIL-S-901D，规定了船上设备的高冲击机械冲击要求
MIL-STD-810G，规定了已商用的军用设备的测试要求
国家电气制造商协会(NEMA)，指定外壳、机柜和外壳
美国国家消防协会(NFPA)，规定了在某些环境中对电子设备的一系列要求，以确保灭火或遏制
潜在爆炸性环境(ATEX)、NFPA 497和HazLoc，规定了在包含爆炸性气体的环境中部署设备时防止爆炸的设计要求
您的外壳和安装方式很重要
到目前为止，我们只讨论了电气设计、物理布局和PCBA。显然，设计坚固的电子产品需要的不仅仅是在PCB周围放置一个更厚的塑料外壳并收工。外壳、电路板安装方式和固定装置将在确定可靠性和对抗前面列出的一些环境因素方面发挥重要作用。
解决机械冲击和振动以及潜在的电气/热因素的一种简单方法是使用带有减振器的防震装置。下面显示的阻尼器是业余级的，但它的结构与四旋翼无人机中使用的支架非常相似。
示例减振安装。这种类型的多平台支架通常用于无人机。
外壳设计和安装的其他方面将需要考虑您需要解决的特定环境因素。适应具有高压气体的环境将不会使用与高压液体环境相同的策略，即使这两者都是依赖压力均衡的外壳级解决方案。坚固的电子设计就是一个很好的例子，电气设计团队需要与机械团队密切沟通，以确保加固策略不会干扰电气要求。
关于坚固电子产品的最终想法
关于坚固的电子设备，我可以给出的最后一条建议是，您不会总是在包含整个恶劣环境列表的场景中部署设备。因此，设计坚固电子产品的第一步是考虑可能损坏产品的特定环境因素，并在设计中关注这些因素。例如，如果您主要担心的是温度循环，请不要担心设计对氧化气体的保护（尽管您可能会获得这种保护作为附带好处）。专注于对您的设计重要的事情，您仍然可以生产出紧凑且具有成本效益的产品。