Những Gì Đi Vào Thiết Kế Điện Tử Chịu Lực?

Hãy thử tìm kiếm “điện tử chắc chắn” trên internet, và bạn có thể thấy rất nhiều video về việc mọi người dẫm lên điện thoại thông minh của họ. Điện tử chắc chắn cần phải chịu được va đập về mặt cơ học, nhưng còn nhiều yếu tố hơn trong một hệ thống chắc chắn ngoài việc có thể sống sót sau một cú rơi trên mặt đường. Điều này liên quan đến thiết kế vỏ cũng như lựa chọn linh kiện và các quyết định sản xuất.

Các nhà thiết kế quân sự-hàng không thường sử dụng thuật ngữ “môi trường khắc nghiệt” để mô tả một số kịch bản mà độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị điện tử sẽ được kiểm tra. Nếu bạn muốn tạo ra sản phẩm tiếp theo thực sự chắc chắn, hãy áp dụng một số chiến lược của họ vào thiết kế bố trí PCB của bạn. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một số chiến lược thiết kế được sử dụng trong thiết kế quân sự-hàng không, cũng như các chiến lược được sử dụng cho thiết kế công nghiệp.

Điều gì đủ điều kiện là môi trường khắc nghiệt trong điện tử chắc chắn?

Thuật ngữ “môi trường” theo định nghĩa trong một số tiêu chuẩn công nghiệp có thể ám chỉ bất cứ điều gì từ các điều kiện môi trường thực tế (nhiệt độ, độ ẩm, v.v.) đến môi trường cơ học (ví dụ: rung động) hoặc môi trường điện (nhiễu, khả năng phóng tĩnh điện). Điện tử chắc chắn thường được thiết kế để chịu được một hoặc nhiều điều kiện thường gặp trong môi trường khắc nghiệt:

• Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp
• Chu kỳ nhiệt độ cực đoan và thường xuyên
• Độ ẩm và áp suất cao/thấp
• Rung động hoặc sốc cơ học
• Phóng điện điện tại điện áp/dòng cao
• Hạt bụi, chẳng hạn như bụi
• Khí oxy hóa hoặc dễ cháy nổ

Đây là một danh sách khá rộng và khó hiểu. Nói chung, bạn không thể thiết kế một thiết bị duy nhất để chịu được mọi yếu tố trong danh sách trên. Môi trường khắc nghiệt rất khó xử lý chỉ vì có quá nhiều yếu tố có thể phá hủy thiết bị điện tử. Những vấn đề này có thể ảnh hưởng đến bảng mạch, linh kiện, toàn bộ PCBA hoặc tất cả những điều trên.

Một số chiến lược chắc chắn hóa

Bảng dưới đây tóm tắt một số giải pháp mà bạn có thể triển khai trong thiết kế của mình để làm cho nó chắc chắn hơn và chịu được danh sách các yếu tố môi trường trên.

Từ bảng trên, có thể thấy rõ rằng quá trình chống chịu vượt xa mức bảng mạch. Một số giải pháp chỉ có thể được thực hiện ở mức bảng mạch, trong khi những giải pháp khác yêu cầu xem xét mọi thứ từ bảng mạch đến thành phần và vỏ bọc. Một số tiêu chuẩn ngành chi phối các giải pháp này bao gồm:

• Tiêu chuẩn Bảo vệ Chống xâm nhập (IP), giới hạn độ xâm nhập của độ ẩm trong các thiết bị điện tử chịu lực
• MIL-S-901D, quy định các yêu cầu về sốc cơ học tác động mạnh đối với thiết bị trên tàu
• MIL-STD-810G, quy định các yêu cầu thử nghiệm đối với thiết bị quân sự đã được thương mại hóa
• Hiệp hội Các nhà sản xuất Điện Quốc gia (NEMA), quy định vỏ bọc, tủ và nhà ở
• Hiệp hội Phòng cháy chữa cháy Quốc gia (NFPA), quy định một loạt các yêu cầu đối với thiết bị điện tử trong một số môi trường nhất định để đảm bảo ngăn ngừa hoặc dập tắt cháy
• Tiêu chuẩn Môi trường có Khả năng Nổ (ATEX), NFPA 497 và HazLoc, quy định các yêu cầu thiết kế để ngăn ngừa nổ khi thiết bị được triển khai trong môi trường chứa khí nổ

Vỏ bọc và kiểu gắn kết của bạn rất quan trọng

Cho đến nay, chúng ta chỉ thảo luận về thiết kế điện, bố cục vật lý và PCBA. Rõ ràng, việc thiết kế các thiết bị điện tử chịu lực đòi hỏi nhiều hơn là chỉ đặt một vỏ nhựa dày hơn quanh PCB và coi như hoàn thành. Vỏ bọc, kiểu gắn bảng và các phụ kiện sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ tin cậy và đối phó với một số yếu tố môi trường đã liệt kê trước đó.

Một cách đơn giản để giải quyết sốc cơ học và rung động cùng với các yếu tố điện/ nhiệt tiềm năng là sử dụng hệ thống gắn sốc với bộ giảm chấn rung. Bộ giảm chấn được hiển thị dưới đây là loại dùng cho sở thích cá nhân, nhưng nó có cấu trúc rất giống với các bộ gắn được sử dụng trong máy bay không người lái bốn cánh.

Các khía cạnh khác của thiết kế vỏ bọc và lắp đặt sẽ cần xem xét yếu tố môi trường cụ thể mà bạn cần giải quyết. Đáp ứng một môi trường có khí áp suất cao sẽ không sử dụng cùng một chiến lược như môi trường chất lỏng áp suất cao, mặc dù cả hai đều là giải pháp ở cấp độ vỏ bọc dựa vào cân bằng áp suất. Thiết kế thiết bị điện tử chịu lực là một ví dụ điển hình trong đó nhóm thiết kế điện cần phải giao tiếp chặt chẽ với nhóm cơ khí để đảm bảo chiến lược chịu lực không can thiệp vào các yêu cầu điện.

Những suy nghĩ cuối cùng về thiết bị điện tử chịu lực

Lời khuyên cuối cùng mà tôi có thể đưa ra về thiết bị điện tử chịu lực là bạn sẽ không luôn luôn triển khai một thiết bị trong kịch bản bao gồm toàn bộ danh sách các môi trường khắc nghiệt. Do đó, bước đầu tiên trong việc thiết kế thiết bị điện tử chịu lực là xem xét các yếu tố môi trường cụ thể có thể gây hại cho sản phẩm và tập trung vào những yếu tố này trong thiết kế của bạn. Ví dụ, đừng lo lắng về việc thiết kế bảo vệ khỏi các khí oxy hóa nếu mối quan tâm chính của bạn là chu kỳ nhiệt độ (mặc dù bạn có thể nhận được sự bảo vệ này như một lợi ích phụ). Tập trung vào những gì quan trọng đối với thiết kế của bạn và bạn vẫn có thể tạo ra một sản phẩm nhỏ gọn và hiệu quả về chi phí.

Với các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong Altium Designer®, bạn có thể thiết kế các thiết bị điện tử chịu lực chất lượng cao, bao gồm vỏ bọc và dữ liệu chế tạo của bạn. Đối với thiết kế vỏ bọc, bạn có thể sử dụng tiện ích mở rộng MCAD CoDesigner để dễ dàng nhập bảng của bạn vào Autodesk Inventor, Solidworks hoặc PTC Creo. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế của mình và muốn phát hành tệp đến nhà sản xuất, nền tảng Altium 365™ giúp việc cộng tác và chia sẻ dự án trở nên dễ dàng.

Chúng ta chỉ mới khám phá bề mặt những gì có thể làm với Altium Designer trên Altium 365. Hãy bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 của bạn ngay hôm nay.