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堅固的電子設計包含什么？
堅固的電子設計包含什么？
嘗試在互聯網上搜索“堅固的電子產品”，您可能會發現很多視頻顯示人們踩著智能手機。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。這既關乎外殼設計，也關乎組件選擇和制造選擇。
軍用航空設計人員經常使用術語“惡劣環境”來描述電子設備的可靠性和壽命將受到考驗的許多場景。如果您想讓您的下一個產品真正堅固耐用，在您的PCB布局中采用他們的一些策略會有所幫助。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，以及工業設計中使用的策略。
堅固電子設備中的惡劣環境是什么？
某些行業標準中定義的術語“環境”可以指從實際環境條件（溫度、濕度等）到機械環境（例如，振動）或電氣環境（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境中常見的一種或多種條件：
溫度過高或過低
極端和頻繁的溫度循環
水分和高/低壓
機械振動或沖擊
高電壓/電流放電
顆粒物，如灰塵
氧化性或爆炸性氣體
這是一個非常廣泛且令人難以置信的列表。通常，您無法設計單個設備來承受上述列表中的所有因素。惡劣的環境很難處理，因為有如此廣泛的因素會破壞電子設備。這些問題可能會影響電路板、組件、整個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施的一些解決方案，以使其更加堅固并更好地承受上述環境因素列表。
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環境因素 |
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 |
使用高Tg層壓板，不要使用堆疊過孔。 |
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高壓環境 |
還計劃針對極端溫度進行設計，選擇不會內爆的適當組件，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入 |
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濕氣或氧化性氣體的腐蝕 |
使用具有適當化學成分的保形涂料，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
國家電氣制造商協會(NEMA)，指定外殼、機柜和外殼
美國國家消防協會(NFPA)，規定了在某些環境中對電子設備的一系列要求，以確保滅火或遏制
潛在爆炸性環境(ATEX)、NFPA 497和HazLoc，規定了在包含爆炸性氣體的環境中部署設備時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，設計堅固的電子產品需要的不僅僅是在PCB周圍放置一個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境因素方面發揮重要作用。
解決機械沖擊和振動以及潛在的電氣/熱因素的一種簡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余級的，但它的結構與四旋翼無人機中使用的支架非常相似。
示例減振安裝。這種類型的多平臺支架通常用于無人機。
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境因素。適應具有高壓氣體的環境將不會使用與高壓液體環境相同的策略，即使這兩者都是依賴壓力均衡的外殼級解決方案。堅固的電子設計就是一個很好的例子，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干擾電氣要求。
關于堅固電子產品的最終想法
關于堅固的電子設備，我可以給出的最后一條建議是，您不會總是在包含整個惡劣環境列表的場景中部署設備。因此，設計堅固電子產品的第一步是考慮可能損壞產品的特定環境因素，并在設計中關注這些因素。例如，如果您主要擔心的是溫度循環，請不要擔心設計對氧化氣體的保護（盡管您可能會獲得這種保護作為附帶好處）。專注于對您的設計重要的事情，您仍然可以生產出緊湊且具有成本效益的產品。