Co wchodzi w skład projektowania elektroniki przemysłowej?

Wyszukując w internecie „wytrzymałe elektroniki”, prawdopodobnie znajdziesz mnóstwo filmów pokazujących ludzi, którzy depczą swoje smartfony. Wytrzymała elektronika musi wytrzymać mechaniczne uderzenia, ale w tworzeniu wytrzymałego systemu chodzi o więcej niż tylko zdolność przetrwania upadku na chodnik. To dotyczy zarówno projektowania obudowy, jak i wyboru komponentów oraz decyzji produkcyjnych.

Projektanci z branży wojskowej i lotniczej często używają terminu „surowe środowisko” do opisania różnych scenariuszy, w których niezawodność i żywotność urządzenia elektronicznego zostaną poddane próbie. Jeśli chcesz, aby Twój następny produkt był naprawdę wytrzymały, warto przyjąć niektóre z ich strategii w układzie PCB. W tym artykule przyjrzymy się niektórym strategiom projektowym stosowanym w projektach wojskowych i lotniczych, jak również strategiom używanym w projektach przemysłowych.

Co kwalifikuje się jako Surowe Środowisko w Wytrzymałej Elektronice?

Termin „środowisko”, jak określono w niektórych standardach branżowych, może odnosić się do wszystkiego, począwszy od rzeczywistych warunków środowiskowych (temperatura, wilgotność itp.), przez środowisko mechaniczne (np. wibracje) po środowisko elektryczne (szumy, potencjał dla ESD). Wytrzymała elektronika jest zwykle projektowana tak, aby wytrzymać jedno lub więcej warunków typowo występujących w surowych środowiskach:

• Nadmierne wysokie lub niskie temperatury
• Ekstremalne i częste zmiany temperatur
• Wilgoć i wysokie/niskie ciśnienie
• Mechaniczne wibracje lub wstrząsy
• Wyładowania elektryczne przy wysokim napięciu/prądzie
• Cząstki stałe, takie jak kurz
• Utleniające lub wybuchowe gazy

To dość obszerna i zaskakująca lista. Ogólnie rzecz biorąc, nie można zaprojektować pojedynczego urządzenia, które wytrzyma każdy czynnik z powyższej listy. Trudne warunki są trudne do opanowania, po prostu dlatego, że istnieje tak szeroki zakres czynników, które mogą zniszczyć urządzenie elektroniczne. Problemy te mogą dotyczyć płytki, komponentów, całego montażu PCB lub wszystkiego naraz.

Niektóre strategie zwiększania wytrzymałości

Poniższa tabela podsumowuje niektóre z rozwiązań, które możesz zaimplementować w swoim projekcie, aby uczynić go bardziej wytrzymałym i lepiej przystosowanym do wyżej wymienionych czynników środowiskowych.

Z powyższej tabeli powinno być jasne, że ruggedizacja wykracza poza poziom płyty. Niektóre rozwiązania można zaimplementować tylko na poziomie płyty, podczas gdy inne wymagają rozważenia wszystkiego, od płyty po komponenty i obudowę. Niektóre z norm branżowych, które regulują te rozwiązania, to:

• Standard ochrony przed dostępem (IP), który ogranicza dostęp wilgoci do elektroniki przemysłowej
• MIL-S-901D, określający wymagania dotyczące wysokiego uderzenia mechanicznego dla sprzętu na statkach
• MIL-STD-810G, określający wymagania testowe dla sprzętu wojskowego, które zostały przyjęte komercyjnie
• National Electrical Manufacturers Association (NEMA), określająca obudowy, szafy i mieszkania
• National Fire Protection Association (NFPA), określająca szereg wymagań dotyczących elektroniki w określonych środowiskach, aby zapewnić tłumienie lub ograniczenie pożaru
• Potencjalnie Wybuchowe Atmosfery (ATEX), NFPA 497 i HazLoc, określające wymagania projektowe mające na celu zapobieganie eksplozji, gdy urządzenie jest wdrażane w środowisku zawierającym wybuchowe gazy

Twoja obudowa i styl montażu mają znaczenie

Dotychczas omawialiśmy tylko projektowanie elektryczne, układ fizyczny oraz PCBA. Oczywiście, projektowanie wytrzymałej elektroniki wymaga czegoś więcej niż tylko umieszczenie PCB w grubszym plastikowym etui i nazwanie tego sukcesem. Obudowa, styl montażu płyty oraz elementy mocujące odegrają kluczową rolę w określaniu niezawodności oraz w walce z niektórymi z wcześniej wymienionych czynników środowiskowych.

Jednym z prostych sposobów na adresowanie wstrząsów mechanicznych i wibracji obok potencjalnych czynników elektrycznych/cieplnych jest użycie montażu amortyzującego wstrząsy z tłumikiem wibracji. Poniżej pokazany tłumik jest klasy hobbystycznej, ale ma bardzo podobną strukturę do montaży używanych w dronach quadcopter.

Inne aspekty projektowania obudowy i montażu będą musiały uwzględnić konkretny czynnik środowiskowy, który chcesz rozwiązać. Adaptacja do środowiska z wysokim ciśnieniem gazu nie będzie korzystać z tej samej strategii, co używana w środowisku z wysokim ciśnieniem cieczy, mimo że oba te rozwiązania na poziomie obudowy polegają na wyrównywaniu ciśnienia. Projektowanie wytrzymałej elektroniki to świetny przykład, gdzie zespół projektowy elektryki musi ściśle komunikować się z zespołem mechanicznym, aby upewnić się, że strategia zwiększania wytrzymałości nie koliduje z wymaganiami elektrycznymi.

Ostateczne przemyślenia na temat wytrzymałej elektroniki

Ostatnią radą, jaką mogę udzielić na temat elektroniki przemysłowej, jest to, że nie zawsze będziesz wdrażał urządzenie w scenariuszu, który obejmuje całą listę trudnych warunków środowiskowych. Dlatego pierwszym krokiem w projektowaniu wytrzymałej elektroniki jest rozważenie konkretnych czynników środowiskowych, które mogą uszkodzić produkt i skupienie się na nich w swoim projekcie. Na przykład, nie martw się o projektowanie ochrony przed gazami utleniającymi, jeśli twoim głównym zmartwieniem jest cykliczna zmiana temperatury (chociaż możesz uzyskać tę ochronę jako dodatkowy korzyść). Skup się na tym, co jest ważne dla twojego projektu, a nadal możesz stworzyć coś, co jest kompaktowe i opłacalne.

Z najlepszymi narzędziami do projektowania PCB w Altium Designer®, możesz zaprojektować wysokiej jakości wytrzymałą elektronikę, w tym obudowę i dane do produkcji. Do projektowania obudowy możesz użyć rozszerzenia MCAD CoDesigner, aby łatwo zaimportować swoją płytę do Autodesk Inventor, Solidworks lub PTC Creo. Kiedy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Rozpocznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.