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技术专题
坚固的電(diàn)子设计包含什么？
坚固的電(diàn)子设计包含什么？
尝试在互联网上搜索“坚固的電(diàn)子产品”，您可(kě)能(néng)会发现很(hěn)多(duō)视频显示人们踩着智能(néng)手机。坚固的電(diàn)子设备需要机械地承受冲击，但是坚固的系统除了能(néng)够承受人行道上的跌落外，还有(yǒu)更多(duō)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(yòng)航空设计人员经常使用(yòng)术语“恶劣环境”来描述電(diàn)子设备的可(kě)靠性和寿命将受到考验的许多(duō)场景。如果您想让您的下一个产品真正坚固耐用(yòng)，在您的PCB布局中采用(yòng)他(tā)们的一些策略会有(yǒu)所帮助。在本文(wén)中，我们将研究军用(yòng)航空设计中使用(yòng)的一些设计策略，以及工业设计中使用(yòng)的策略。
坚固電(diàn)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(kě)以指从实际环境条件（温度、湿度等）到机械环境（例如，振动）或電(diàn)气环境（噪声、ESD潜力）的任何事物(wù)。坚固的電(diàn)子设备通常设计用(yòng)于承受恶劣环境中常见的一种或多(duō)种条件：
温度过高或过低
极端和频繁的温度循环
水分(fēn)和高/低压
机械振动或冲击
高電(diàn)压/電(diàn)流放電(diàn)
颗粒物(wù)，如灰尘
氧化性或爆炸性气體(tǐ)
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(yǒu)因素。恶劣的环境很(hěn)难处理(lǐ)，因為(wèi)有(yǒu)如此广泛的因素会破坏電(diàn)子设备。这些问题可(kě)能(néng)会影响電(diàn)路板、组件、整个PCBA或以上所有(yǒu)方面。
一些加固策略
下表总结了您可(kě)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。
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环境因素 |
设计策略 |
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高温 |
传导冷却组合（机箱/散热器），使用(yòng)热界面材料和风扇，散布热组件，使用(yòng)陶瓷或金属芯PCB，液體(tǐ)冷却 |
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低温 |
使用(yòng)入口保护以防止冷凝，应用(yòng)直流加热使组件处于正常工作温度范围内 |
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极端的热循环 |
使用(yòng)高Tg层压板，不要使用(yòng)堆叠过孔。 |
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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(yòng)保形涂层并用(yòng)惰性气體(tǐ)或绝缘液體(tǐ)填充外壳 |
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机械振动或冲击 |
尽可(kě)能(néng)选择通孔元件，设计電(diàn)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直接焊接到電(diàn)路板上，而不是使用(yòng)插座或网格阵列 |
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放電(diàn) |
保持接地靠近机箱和TVS接地，使用(yòng)ESD保护電(diàn)路 |
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颗粒物(wù) |
使用(yòng)三防漆防止ESD，使用(yòng)高压密封外壳防止微粒进入 |
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湿气或氧化性气體(tǐ)的腐蚀 |
使用(yòng)具有(yǒu)适当化學(xué)成分(fēn)的保形涂料，设计具有(yǒu)高压等级的密封外壳 |
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爆炸性气體(tǐ) |
消除任何可(kě)能(néng)在运行期间产生预期火花(huā)的组件（例如继電(diàn)器），应用(yòng)ESD保护措施 |
从上表可(kě)以清楚地看出，加固跨越了板级。一些解决方案只能(néng)在板级实现，而其他(tā)解决方案则需要考虑从板到组件和外壳的所有(yǒu)方面。管理(lǐ)这些解决方案的一些行业标准包括：
侵入保护(IP)标准，可(kě)限制坚固電(diàn)子设备中的水分(fēn)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(shāng)用(yòng)的军用(yòng)设备的测试要求
國(guó)家電(diàn)气制造商(shāng)协会(NEMA)，指定外壳、机柜和外壳
美國(guó)國(guó)家消防协会(NFPA)，规定了在某些环境中对電(diàn)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體(tǐ)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(hěn)重要
到目前為(wèi)止，我们只讨论了電(diàn)气设计、物(wù)理(lǐ)布局和PCBA。显然，设计坚固的電(diàn)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、電(diàn)路板安装方式和固定装置将在确定可(kě)靠性和对抗前面列出的一些环境因素方面发挥重要作用(yòng)。
解决机械冲击和振动以及潜在的電(diàn)气/热因素的一种简单方法是使用(yòng)带有(yǒu)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(yòng)的支架非常相似。
示例减振安装。这种类型的多(duō)平台支架通常用(yòng)于无人机。
外壳设计和安装的其他(tā)方面将需要考虑您需要解决的特定环境因素。适应具有(yǒu)高压气體(tǐ)的环境将不会使用(yòng)与高压液體(tǐ)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。坚固的電(diàn)子设计就是一个很(hěn)好的例子，電(diàn)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電(diàn)气要求。
关于坚固電(diàn)子产品的最终想法
关于坚固的電(diàn)子设备，我可(kě)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，设计坚固電(diàn)子产品的第一步是考虑可(kě)能(néng)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體(tǐ)的保护（尽管您可(kě)能(néng)会获得这种保护作為(wèi)附带好处）。专注于对您的设计重要的事情，您仍然可(kě)以生产出紧凑且具有(yǒu)成本效益的产品。