Что такое конструирование 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.

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.

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.

Мы затронули лишь малую часть того, что возможно с Altium Designer на платформе Altium 365. Начните бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сейчас.