Что такое конструирование электроники повышенной защищенности

0
715
Конструирование электроники повышенной защищенности

Проектировщик Захариан Петерсон рассказывает особенности конструирования электроники повышенной защищенности.

Попробуйте поискать в Интернете что-нибудь про электронику повышенной защищенности, и вы, вероятно, найдете множество видео, где люди пытаются разбить свои смартфоны.

Защищенная электроника должна выдерживать механические удары, но к этому относится не только способность пережить падение на асфальт. Это касается как конструкции корпуса, так и выбора компонентов и производственных решений.

Конструкторы в области аэрокосмической и оборонной промышленности часто используют термин “неблагоприятные условия окружающей среды” для описания ряда ситуаций, когда надежность и срок службы электронного устройства подвергается суровому испытанию.

Если вы хотите, чтобы ваш проект был по-настоящему защищен, вам поможет использование некоторых стратегий при конструировании печатной платы. В этой статье мы рассмотрим некоторые стратегии конструирования, используемые в разработках аэрокосмической и оборонной отрасли, а также стратегии, используемые в промышленных разработках.

Какие условия среды считаются неблагоприятными при проектировании защищенной электроники?

Термин «окружающая среда», как он определен в некоторых промышленных стандартах, может относиться ко всему, начиная от фактических условий окружающей среды (температура, влажность и т.д.) до механической (например, вибрация) или электрической среды (шум, вероятность электростатического разряда). Электроника повышенной защищенности, как правило, проектируется для того, чтобы выдерживать одно или несколько условий, обычно встречающихся в неблагоприятных условиях окружающей среды:

  • Чрезмерно высокие или низкие температуры
  • Экстремальные и частые циклы изменения температур
  • Влага и высокое/низкое давление
  • Механическая вибрация или ударная нагрузка
  • Электрический разряд при высоком напряжении/токе
  • Твердые частицы, например, пыль
  • Окисляющие или взрывоопасные газы

Это довольно обширный и ошеломляющий список. Как правило, невозможно разработать устройство, способное противостоять всем факторам из этого списка. С неблагоприятными условиями среды трудно справиться просто потому, что спектр факторов, которые могут разрушить электронное устройство, очень широк. Эти проблемы могут повлиять на плату, компоненты, печатный узел в целом или на всё вместе.

Некоторые стратегии повышения защиты

В таблице ниже приведена сводка некоторых решений, которые могут быть применены при проектировании, чтобы сделать конструкцию более устойчивой к условиям среды, перечисленным выше.

Условия окружающей среды Стратегии конструирования
Высокие температуры Сочетайте охлаждение за счет теплопроводности (шасси/теплоотвод), использование материалов и вентиляторов теплового интерфейса, распределение горячих компонентов, использование керамики или печатных плат на металлической основе и жидкостное охлаждение
Низкие температуры Используйте защиту от пыли и влаги для предотвращения конденсации, применяйте нагрев постоянным током для приведения компонентов в нормальный диапазон рабочих температур
Экстремальные циклы изменения температур Используйте ламинаты с высокой температурой стеклования, не используйте составные стопкой переходные отверстия (Stacked Via)
Среды высокого давления Также планируйте проектирование для экстремальных температур, выбирайте соответствующие компоненты, которые не будут схлопываться, используйте конформное покрытие и заполняйте корпус инертным газом или изолирующей жидкостью
Механическая вибрация или ударная нагрузка По возможности используйте компоненты с монтажом в отверстия, сконструируйте плату таким образом, чтобы резонансная частота вибрации самого низкого порядка была как минимум втрое выше ожидаемой частоты ударов, монтируйте крупные микросхемы непосредственно на плату, не используйте гнезда и компоненты с матрицами выводов
Электрический разряд Располагайте заземление ближе к шасси и земле подавителя скачков напряжения (TVS), используйте схемы защиты от электростатического разряда
Твердые частицы Используйте конформные покрытия для предотвращения электростатического разряда, используйте герметичный корпус, рассчитанный на высокое давление, для защиты от твердых частиц
Коррозия под воздействием влаги или окислительных газов Используйте конформные покрытия с соответствующим химическим составом, разработайте герметичный корпус, рассчитанный на высокое давление
Взрывоопасные газы Исключите компоненты, которые могут создать искру во время работы (например, реле), примените меры защиты от электростатического разряда

Из приведенной выше таблицы становится ясно, что обеспечение защищенности выходит за рамки уровня платы. Некоторые решения могут быть реализованы только на уровне платы, в то время как другие требуют рассмотрения всех аспектов – от платы до компонентов и корпуса. Некоторые из отраслевых стандартов, регулирующих эти решения:

  • Стандарт защиты от проникновения пыли и влаги (Ingress Protection, IP), ограничивающий попадание влаги в защищенную электронику.
  • MIL-S-901D, определяющий требования к механическим ударам большой силы для судового оборудования.
  • MIL-STD-810G, определяющий требования к испытаниям военного оборудования, принятого на коммерческой основе.
  • Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA), определяющая требования к корпусам, шкафам и кожухам.
  • Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA), определяющая ряд требований к электронике в определенных средах для обеспечения подавления или локализации пожара.
  • Потенциально взрывоопасные атмосферы (ATEX), NFPA 497 и HazLoc, определяющие требования к конструкции для предотвращения взрыва при размещении устройства в среде, содержащей взрывоопасные газы.

Корпус и стиль монтажа имеют значение

До сих пор мы рассматривали только электрическую часть конструкции, физическую компоновку и печатный узел. Очевидно, что для разработки защищенной электроники требуется нечто большее, чем просто поместить плату в более толстый пластиковый корпус и на этом закончить. Корпус, стиль монтажа платы и крепления будут играть важную роль в определении надежности и в борьбе с некоторыми из приведенных ранее факторов окружающей среды.

Одним из простых способов борьбы с механическими ударами и вибрацией наряду с потенциальными электрическими/тепловыми факторами является использование противоударного крепления с виброгасителем. Демпфер, показанный ниже, относится к классу для хобби, но его конструкция очень похожа на крепления, используемые в квадрокоптерах.

Пример виброгасящего крепления. Этот тип многоплатформенного крепления часто используется в коптерах.

Другие аспекты конструкции и монтажа корпуса должны учитывать конкретный фактор окружающей среды, с которым необходимо бороться. Для среды с высоким давлением газа не будет использоваться та же стратегия, что и для среды с высоким давлением жидкости, несмотря на то, что оба эти решения на уровне корпуса основаны на выравнивании давления. Разработка надежной электроники – отличный пример того, как команда проектировщиков электронной части изделия должна тесно взаимодействовать с командой проектировщиков механической части, чтобы стратегия повышения защищенности не нарушала требований к электрике.

В заключение о защищенной электронике

Заключительный совет, который я могу дать в отношении надежной электроники, заключается в том, что устройство не всегда будет использоваться в сценарии, включающем весь список неблагоприятных условий. Поэтому первым шагом в разработке защищенной электроники является рассмотрение конкретных факторов окружающей среды, которые могут повредить устройство, и фокус на них при проектировании. Например, не стоит беспокоиться о разработке защиты от окисляющих газов, если ваша главная проблема – температурные циклы (хотя вы можете получить такую защиту в качестве побочного преимущества). Сосредоточьтесь на том, что важно для вашей конструкции, и вы сможете создать компактное и экономически эффективное изделие.

С помощью лучших в отрасли средств проектирования печатных плат в Altium Designer® вы можете сконструировать высококачественную электронику повышенной защищенности. Для проектирования корпуса вы можете использовать расширение MCAD CoDesigner для простого импорта платы в Autodesk Inventor, Solidworks или PTC Creo. По завершении проектирования, когда необходимо отправить выходные файлы производителю, платформа Altium 365™ упростит совместную работу над проектом и передачу данных о нем.

Если вы заинтересованы в приобретении продуктов компании Altium, оставьте ваш запрос через форму обратной связи на сайте Представительством Altium в России или напишите на почту altium.ru@altium.com.