Cosa comporta la progettazione di elettronica robusta?

Cercando su internet "elettronica robusta", probabilmente troverete molti video di persone che calpestano i loro smartphone. L'elettronica robusta deve poter assorbire colpi dal punto di vista meccanico, ma c'è di più in un sistema robusto che essere semplicemente in grado di sopravvivere a una caduta sull'asfalto. Questo riguarda tanto la progettazione del guscio quanto la selezione dei componenti e le scelte produttive.

I progettisti nel settore militare e aerospaziale usano spesso il termine "ambiente ostile" per descrivere una serie di scenari in cui l'affidabilità e la durata di vita di un dispositivo elettronico saranno messe alla prova. Se vuoi rendere il tuo prossimo prodotto veramente robusto, è utile adottare alcune delle loro strategie nel layout del tuo PCB. In questo articolo, esamineremo alcune delle strategie di progettazione utilizzate nei progetti militari e aerospaziali, così come strategie utilizzate per i progetti industriali.

Cosa si intende per Ambiente Ostile nell'Elettronica Robusta?

Il termine "ambiente", come definito in alcuni standard industriali, può riferirsi a qualsiasi cosa, dalle condizioni ambientali effettive (temperatura, umidità, ecc.) all'ambiente meccanico (ad esempio, vibrazione) o all'ambiente elettrico (rumore, potenziale per ESD). L'elettronica robusta è tipicamente progettata per resistere a una o più condizioni tipicamente riscontrate in ambienti ostili:

• Temperature eccessivamente alte o basse
• Variazioni di temperatura estreme e frequentiUmidità e pressione alta/bassa
• Vibrazioni meccaniche o shock
• Scariche elettriche ad alta tensione/corrente
• Particelle, come la polvere
• Gas ossidanti o esplosivi

Questa è una lista piuttosto estesa e sorprendente. Generalmente, non è possibile progettare un singolo dispositivo per resistere a ogni fattore nella lista sopra. Gli ambienti ostili sono difficili da gestire semplicemente perché esiste una vasta gamma di fattori che possono distruggere un dispositivo elettronico. Questi problemi potrebbero influenzare la scheda, i componenti, l'intero PCBA, o tutto quanto sopra.

Alcune Strategie di Ruggedizzazione

La tabella sottostante riassume alcune delle soluzioni che puoi implementare nel tuo progetto per renderlo più robusto e meglio resistente alla lista sopra di fattori ambientali.

Dalla tabella sopra, dovrebbe essere chiaro che la ruggedizzazione va oltre il livello della scheda. Alcune soluzioni possono essere implementate solo a livello di scheda, mentre altre richiedono di considerare tutto, dalla scheda ai componenti e all'involucro. Alcuni degli standard industriali che governano queste soluzioni includono:

• Lo standard di Protezione all'Ingresso (IP), che limita l'ingresso di umidità nell'elettronica rugged
• MIL-S-901D, che specifica i requisiti per shock meccanici ad alto impatto per le apparecchiature su navi
• MIL-STD-810G, che specifica i requisiti di test per l'equipaggiamento militare che è stato adottato commercialmente
• La National Electrical Manufacturers Association (NEMA), che specifica involucri, armadi e alloggiamenti
• La National Fire Protection Association (NFPA), che specifica una gamma di requisiti sull'elettronica in certi ambienti per garantire la soppressione o il contenimento degli incendi
• Atmosfere Potenzialmente Esplosive (ATEX), NFPA 497 e HazLoc, che specificano i requisiti di progettazione per prevenire esplosioni quando un dispositivo è dispiegato in un ambiente contenente gas esplosivi

Il Tuo Involucro e Stile di Montaggio Contano

Finora abbiamo discusso solo del design elettrico, del layout fisico e dell'assemblaggio PCB. Ovviamente, progettare elettronica robusta richiede più che semplicemente mettere una custodia di plastica più spessa attorno al PCB e considerare il lavoro concluso. La scocca, lo stile di montaggio della scheda e i fissaggi giocheranno un ruolo importante nel determinare l'affidabilità e nel combattere alcuni dei fattori ambientali menzionati in precedenza.

Un modo semplice per affrontare urti meccanici e vibrazioni insieme a potenziali fattori elettrici/termici è utilizzare un montaggio antiurto con un ammortizzatore per vibrazioni. L'ammortizzatore mostrato di seguito è di grado hobbistico, ma ha una struttura molto simile ai supporti utilizzati nei droni quadricotteri.

Altri aspetti della progettazione della scocca e del montaggio dovranno considerare il fattore ambientale specifico che si necessita di affrontare. Accomodare un ambiente con un gas ad alta pressione non utilizzerà la stessa strategia usata in un ambiente liquido ad alta pressione, anche se entrambe queste sono soluzioni a livello di scocca che si affidano all'equalizzazione della pressione. La progettazione di elettronica robusta è un ottimo esempio in cui il team di progettazione elettrica deve comunicare strettamente con il team meccanico per assicurare che la strategia di ruggedizzazione non interferisca con i requisiti elettrici.

Considerazioni Finali sull'Elettronica Robusta

L'ultimo consiglio che posso dare riguardo l'elettronica robusta è che non si sarà sempre nella situazione di dover dispiegare un dispositivo in uno scenario che comprende l'intera lista di ambienti ostili. Pertanto, il primo passo nella progettazione di elettronica robusta è considerare i fattori ambientali specifici che potrebbero danneggiare il prodotto e concentrarsi su questi nel proprio design. Ad esempio, non preoccuparti di progettare protezioni contro i gas ossidanti se la tua principale preoccupazione è il ciclo termico (anche se potresti ottenere questa protezione come un beneficio secondario). Concentrati su ciò che è importante per il tuo design e potrai comunque produrre qualcosa di compatto ed economico.

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