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技術(shù)專(zhuān)題
堅固的電子設計包含什么？
堅固的電子設計包含什么？
嘗試在互聯(lián)網(wǎng)上搜索“堅固的電子產(chǎn)品”，您可能會(huì )發(fā)現很多視頻顯示人們踩著(zhù)智能手機。堅固的電子設備需要機械地承受沖擊，但是堅固的系統除了能夠承受人行道上的跌落外，還有更多的東西。這既關(guān)乎外殼設計，也關(guān)乎組件選擇和制造選擇。
軍用航空設計人員經(jīng)常使用術(shù)語(yǔ)“惡劣環(huán)境”來(lái)描述電子設備的可靠性和壽命將受到考驗的許多場(chǎng)景。如果您想讓您的下一個(gè)產(chǎn)品真正堅固耐用，在您的PCB布局中采用他們的一些策略會(huì )有所幫助。在本文中，我們將研究軍用航空設計中使用的一些設計策略，以及工業(yè)設計中使用的策略。
堅固電子設備中的惡劣環(huán)境是什么？
某些行業(yè)標準中定義的術(shù)語(yǔ)“環(huán)境”可以指從實(shí)際環(huán)境條件（溫度、濕度等）到機械環(huán)境（例如，振動(dòng)）或電氣環(huán)境（噪聲、ESD潛力）的任何事物。堅固的電子設備通常設計用于承受惡劣環(huán)境中常見(jiàn)的一種或多種條件：
溫度過(guò)高或過(guò)低
極端和頻繁的溫度循環(huán)
水分和高/低壓
機械振動(dòng)或沖擊
高電壓/電流放電
顆粒物，如灰塵
氧化性或爆炸性氣體
這是一個(gè)非常廣泛且令人難以置信的列表。通常，您無(wú)法設計單個(gè)設備來(lái)承受上述列表中的所有因素。惡劣的環(huán)境很難處理，因為有如此廣泛的因素會(huì )破壞電子設備。這些問(wèn)題可能會(huì )影響電路板、組件、整個(gè)PCBA或以上所有方面。
一些加固策略
下表總結了您可以在設計中實(shí)施的一些解決方案，以使其更加堅固并更好地承受上述環(huán)境因素列表。
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環(huán)境因素 |
設計策略 |
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高溫 |
傳導冷卻組合（機箱/散熱器），使用熱界面材料和風(fēng)扇，散布熱組件，使用陶瓷或金屬芯PCB，液體冷卻 |
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低溫 |
使用入口保護以防止冷凝，應用直流加熱使組件處于正常工作溫度范圍內 |
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極端的熱循環(huán) |
使用高Tg層壓板，不要使用堆疊過(guò)孔。 |
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高壓環(huán)境 |
還計劃針對極端溫度進(jìn)行設計，選擇不會(huì )內爆的適當組件，使用保形涂層并用惰性氣體或絕緣液體填充外殼 |
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機械振動(dòng)或沖擊 |
盡可能選擇通孔元件，設計電路板，使其最低階諧振頻率至少是預期沖擊頻率的三倍，將大型IC直接焊接到電路板上，而不是使用插座或網(wǎng)格陣列 |
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放電 |
保持接地靠近機箱和TVS接地，使用ESD保護電路 |
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顆粒物 |
使用三防漆防止ESD，使用高壓密封外殼防止微粒進(jìn)入 |
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濕氣或氧化性氣體的腐蝕 |
使用具有適當化學(xué)成分的保形涂料，設計具有高壓等級的密封外殼 |
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爆炸性氣體 |
消除任何可能在運行期間產(chǎn)生預期火花的組件（例如繼電器），應用ESD保護措施 |
從上表可以清楚地看出，加固跨越了板級。一些解決方案只能在板級實(shí)現，而其他解決方案則需要考慮從板到組件和外殼的所有方面。管理這些解決方案的一些行業(yè)標準包括：
侵入保護(IP)標準，可限制堅固電子設備中的水分侵入
MIL-S-901D，規定了船上設備的高沖擊機械沖擊要求
MIL-STD-810G，規定了已商用的軍用設備的測試要求
國家電氣制造商協(xié)會(huì )(NEMA)，指定外殼、機柜和外殼
美國國家消防協(xié)會(huì )(NFPA)，規定了在某些環(huán)境中對電子設備的一系列要求，以確保滅火或遏制
潛在爆炸性環(huán)境(ATEX)、NFPA 497和HazLoc，規定了在包含爆炸性氣體的環(huán)境中部署設備時(shí)防止爆炸的設計要求
您的外殼和安裝方式很重要
到目前為止，我們只討論了電氣設計、物理布局和PCBA。顯然，設計堅固的電子產(chǎn)品需要的不僅僅是在PCB周?chē)胖靡粋€(gè)更厚的塑料外殼并收工。外殼、電路板安裝方式和固定裝置將在確定可靠性和對抗前面列出的一些環(huán)境因素方面發(fā)揮重要作用。
解決機械沖擊和振動(dòng)以及潛在的電氣/熱因素的一種簡(jiǎn)單方法是使用帶有減振器的防震裝置。下面顯示的阻尼器是業(yè)余級的，但它的結構與四旋翼無(wú)人機中使用的支架非常相似。
示例減振安裝。這種類(lèi)型的多平臺支架通常用于無(wú)人機。
外殼設計和安裝的其他方面將需要考慮您需要解決的特定環(huán)境因素。適應具有高壓氣體的環(huán)境將不會(huì )使用與高壓液體環(huán)境相同的策略，即使這兩者都是依賴(lài)壓力均衡的外殼級解決方案。堅固的電子設計就是一個(gè)很好的例子，電氣設計團隊需要與機械團隊密切溝通，以確保加固策略不會(huì )干擾電氣要求。
關(guān)于堅固電子產(chǎn)品的最終想法
關(guān)于堅固的電子設備，我可以給出的最后一條建議是，您不會(huì )總是在包含整個(gè)惡劣環(huán)境列表的場(chǎng)景中部署設備。因此，設計堅固電子產(chǎn)品的第一步是考慮可能損壞產(chǎn)品的特定環(huán)境因素，并在設計中關(guān)注這些因素。例如，如果您主要擔心的是溫度循環(huán)，請不要擔心設計對氧化氣體的保護（盡管您可能會(huì )獲得這種保護作為附帶好處）。專(zhuān)注于對您的設計重要的事情，您仍然可以生產(chǎn)出緊湊且具有成本效益的產(chǎn)品。