電子設(shè)備設(shè)計(jì)技巧：在惡劣環(huán)境中運(yùn)行

專(zhuān)為太空設(shè)計(jì)的產(chǎn)品暴露在一些最?lèi)毫拥沫h(huán)境中。它們必須在劇烈振動(dòng)、機(jī)械沖擊、寬溫度波動(dòng)等條件下可靠運(yùn)行。

很少有產(chǎn)品在清潔、無(wú)塵、溫度控制、無(wú)振動(dòng)、類(lèi)似實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中運(yùn)行。您的商品可能會(huì)受到以下一項(xiàng)或多項(xiàng)影響：

機(jī)械振動(dòng)/沖擊

高壓或低壓（例如高海拔）

極端溫度

污垢/灰塵或其他污染物

濕度或濕度

電離輻射

電磁干擾（傳導(dǎo)或輻射）

靜電放電和瞬變

空間設(shè)計(jì)

專(zhuān)為太空設(shè)計(jì)的產(chǎn)品暴露在一些最?lèi)毫拥沫h(huán)境中。它們必須在劇烈振動(dòng)、機(jī)械沖擊、寬溫度波動(dòng)、真空環(huán)境和電離輻射下可靠運(yùn)行。本文將分享Nuation Engineering在為空間系統(tǒng)Loral（SSL）建造的航天器設(shè)計(jì)24通道數(shù)據(jù)記錄器模塊時(shí)為外層空間環(huán)境實(shí)施的一些解決方案。

輻射

輻射是最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)要求之一。太空中的產(chǎn)品受到來(lái)自太陽(yáng)和其他恒星的各種高能粒子和電磁波的轟擊。這些電離輻射源會(huì)對(duì)電子設(shè)備造成短期干擾（例如位翻轉(zhuǎn)和存儲(chǔ)器擦除），并對(duì)半導(dǎo)體造成累積損壞。對(duì)于太空的長(zhǎng)期任務(wù)（通常約為15年），唯一的選擇是使用抗輻射（又名“抗輻射”）組件。與標(biāo)準(zhǔn)組件相比，這些組件相對(duì)稀缺?？馆椛浣M件的成本可能是地面等效物的十到五百倍。

對(duì)于短期太空任務(wù)（一年或更短時(shí)間），有時(shí)允許在設(shè)計(jì)中使用標(biāo)準(zhǔn)的商用現(xiàn)成（又名“COTS”）組件，但須對(duì)其輻射耐受性進(jìn)行分析和測(cè)試。這可以大大降低設(shè)計(jì)空間設(shè)備的成本，并擴(kuò)大可用于設(shè)計(jì)的組件選擇。

Nuvation的航天器設(shè)計(jì)主要利用了COTS組件，并包括一些用于關(guān)鍵安全功能的抗輻射部件。通過(guò)在硬件和軟件中應(yīng)用多種設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)輻射的影響，我們?cè)诮M件選擇中實(shí)現(xiàn)了這種成本優(yōu)化，例如：

PCB設(shè)計(jì)包括所有雜散金屬島的接地。

我們的設(shè)計(jì)工程師選擇了一種特殊的存儲(chǔ)技術(shù)，稱為“磁阻內(nèi)存”，它對(duì)電離輻射特別耐受。

為了避免由于空間輻射效應(yīng)導(dǎo)致代碼存儲(chǔ)器損壞，代碼存儲(chǔ)器IC的寫(xiě)使能選通在飛行過(guò)程中斷開(kāi)

在軟件中，關(guān)鍵內(nèi)存記錄在 3 個(gè)不同的位置變得多余。該軟件不斷掃描這三個(gè)位置，以確定與其他兩個(gè)副本相比，一個(gè)副本中是否出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則會(huì)根據(jù)其他兩個(gè)正常副本更正該值。同樣的數(shù)據(jù)三重和比較原則適用于幾種不同的情況。

采用多級(jí)軟件和硬件看門(mén)狗，使系統(tǒng)能夠從任何類(lèi)型的意外處理器故障中恢復(fù)。

這些設(shè)計(jì)方法的實(shí)施與包括一些抗輻射組件相結(jié)合，大大降低了與輻射損害影響相關(guān)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

沖擊和振動(dòng)

航天器在上升過(guò)程中受到高g力和振動(dòng)，并在每個(gè)分離階段經(jīng)歷劇烈沖擊。Nuvation采用了多種設(shè)計(jì)方法來(lái)處理這些情況，包括：

PCBA包含在機(jī)加工的鋁制外殼中，該外殼具有許多單獨(dú)的旋入位置。每個(gè)螺釘都擰緊到規(guī)定的扭矩，然后用太空級(jí)環(huán)氧樹(shù)脂加固。

PCB上的所有組件都必須考慮其對(duì)沖擊和振動(dòng)的耐受性。例如，由于2類(lèi)陶瓷電容器容易產(chǎn)生壓電效應(yīng)（即它們響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生電荷），Nuvation的設(shè)計(jì)工程師最大限度地減少了其在關(guān)鍵模擬電路中的使用。

焊接到PCB上的大型或重型元件還用環(huán)氧樹(shù)脂粘合。

每件設(shè)備都需要進(jìn)行廣泛的老化測(cè)試，然后才能獲得飛行認(rèn)證。老化測(cè)試包括 48 小時(shí)壓力測(cè)試，包括 10 個(gè)熱/冷溫度循環(huán)，以及 4 個(gè)強(qiáng)度為 30 Grms 的 2 分鐘振動(dòng)段。設(shè)備必須在整個(gè) 48 小時(shí)內(nèi)保持通電并正常運(yùn)行。這項(xiàng)廣泛的測(cè)試驗(yàn)證了組件選擇和設(shè)計(jì)方法提供的產(chǎn)品可以承受航天器級(jí)分離的極端沖擊和振動(dòng)事件。

硬真空

空間的另一個(gè)考慮因素是需要在硬真空中運(yùn)行。雖然大多數(shù)COTS電子元件不是為在真空中使用而設(shè)計(jì)的，但只要充分注意散熱，其中許多元件就可以很好地工作。然而，由于對(duì)流傳熱不會(huì)在真空中發(fā)生，因此必須通過(guò)傳導(dǎo)或輻射傳熱來(lái)冷卻組件。

Nuvation Engineering設(shè)計(jì)了空間PCBA，通過(guò)實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容，將組件中的所有熱量傳導(dǎo)引導(dǎo)到鋁制散熱器/外殼中：

PCBA表面的兩側(cè)都充斥著銅以幫助傳導(dǎo)。

將熱組件放置在靠近機(jī)柜固定位置的位置。

選擇性地將熱環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)用于某些部件，以提高其對(duì)PCB的導(dǎo)電性。

真空傾向于導(dǎo)致滯留的氣體從組件或材料泄漏，這種效應(yīng)稱為釋氣。由于這些氣體可能會(huì)干擾航天器上的其他傳感器或設(shè)備，因此必須根據(jù)其除氣潛力選擇PCBA上的所有組件。Nuvation的工程團(tuán)隊(duì)還在電路板上涂上了一種特殊的低釋氣、空間額定保形密封膠，這提供了在地面操作期間保護(hù)PCBA免受污染的額外好處。

地球上的惡劣環(huán)境

雖然太空是一個(gè)惡劣的環(huán)境，但地球上可以找到一些最?lèi)毫拥沫h(huán)境。每年，許多Nuvation工程師都會(huì)為設(shè)計(jì)和建造電動(dòng)和自動(dòng)駕駛的突變車(chē)輛做出貢獻(xiàn)，該車(chē)輛被帶到內(nèi)華達(dá)州沙漠一周。白天的溫度可以達(dá)到40°C（~104°F），晚上降至冰點(diǎn)以下。車(chē)輛暴露在崎嶇不平的道路上的高振動(dòng)中，并且缺乏振動(dòng)。沙塵暴將一切都覆蓋在一層薄薄的泥土中。電子設(shè)備的設(shè)計(jì)必須能夠承受較大的溫度波動(dòng)（包括車(chē)輛本身產(chǎn)生的高溫）和高振動(dòng)水平。考慮到任何沙漠的偏遠(yuǎn)位置和危險(xiǎn)條件，車(chē)輛的持續(xù)可靠運(yùn)行至關(guān)重要。注意設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，例如采用防塵連接器/外殼，使灰塵/水遠(yuǎn)離電子設(shè)備，有助于確?，F(xiàn)場(chǎng)的可靠性。

重要的是要認(rèn)識(shí)到，產(chǎn)品的最終用戶可能會(huì)將其暴露在不太理想的條件下。在為電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)試電池管理系統(tǒng)時(shí)，Nuvation工程師發(fā)現(xiàn)，來(lái)自電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輻射電噪聲足以在筆記本電腦上帶來(lái)可怕的藍(lán)屏死機(jī)，而筆記本電腦只是與嘈雜的系統(tǒng)在同一個(gè)房間里。

設(shè)置設(shè)計(jì)要求

電子設(shè)計(jì)的第一步是定義產(chǎn)品要求。Nuvation Engineering與我們的客戶合作，幫助在產(chǎn)品需求文檔（PRD）中捕獲這些要求。工程團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目期間使用此文檔作為制定關(guān)鍵設(shè)計(jì)決策和執(zhí)行驗(yàn)證的參考。

在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)記錄需求有助于避免以后發(fā)生重大的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)更改。了解要求和約束使我們的工程師能夠提供最佳的架構(gòu)和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)。盡早清除這些詳細(xì)信息可以更高效、更具成本效益地執(zhí)行項(xiàng)目。重要的是，產(chǎn)品要求文檔指定了產(chǎn)品的環(huán)境要求。珠三角應(yīng)回答的問(wèn)題包括：

產(chǎn)品將暴露在什么溫度/濕度/壓力范圍內(nèi)？

產(chǎn)品將受到什么程度的振動(dòng)/沖擊？

產(chǎn)品是否會(huì)暴露在高水平的電噪聲中？

產(chǎn)品是否會(huì)暴露在污垢、灰塵或其他污染物中？

如有疑問(wèn)，請(qǐng)執(zhí)行第 0 階段

上述問(wèn)題的答案用于生成設(shè)計(jì)要求，這些需求將影響產(chǎn)品的成功或失敗，以及（在惡劣的環(huán)境中，甚至可能超過(guò)）應(yīng)用程序級(jí)功能。通?？梢宰龀鰴?quán)衡決策，平衡成本、功能、工作范圍和性能，以產(chǎn)生滿足所需價(jià)位的可行產(chǎn)品。在Nuvation Engineering，我們將這種級(jí)別的前期調(diào)查稱為0階段，一種低成本的工程調(diào)查，使客戶能夠在繼續(xù)之前確定項(xiàng)目工作的可行性甚至可取性。通常，對(duì)產(chǎn)品要求的輕微修改（例如，您是否真的需要120 fps的4K視頻，或者單位成本的優(yōu)先級(jí)更高）可以充分改變組件和設(shè)計(jì)要求，使項(xiàng)目更加可行。或者，如果階段 0 驗(yàn)證產(chǎn)品需求是否按原樣完全可行，則從該工作生成的文檔將匯總到項(xiàng)目規(guī)劃文檔的第 1 階段，并且可以在生成物料清單 （BOM） 和設(shè)計(jì)方法時(shí)引用。對(duì)于具有技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的高度復(fù)雜的項(xiàng)目（即做以前從未做過(guò)的事情，或者以前從未嘗試過(guò)的方式），階段0提供可行性的工程驗(yàn)證，并提出客戶可以用來(lái)驗(yàn)證預(yù)算和確定后續(xù)步驟的設(shè)計(jì)方法。

讓環(huán)境更友好

一般來(lái)說(shuō)，從源頭上處理問(wèn)題更有效。不幸的是，這并不總是可能的。例如， 在為給定溫度范圍設(shè)計(jì)電路板時(shí)， 有許多選項(xiàng)可以處理極端溫度：

收緊產(chǎn)品的工作溫度額定值（如果您向用戶指定產(chǎn)品必須在 +85°C 以下運(yùn)行，則可能不需要將產(chǎn)品設(shè)計(jì)為高達(dá) +125°C 的溫度）。

選擇是否需要加熱電路， 冷卻電路， 或兩者， 管理電路板的溫度。

使用可以承受很寬溫度范圍的組件設(shè)計(jì)電路板。

類(lèi)似的過(guò)程可用于處理信噪比（SNR）特性較差的傳感器。要考慮的選項(xiàng)包括：

使用更好的傳感器

使用硬件篩選

使用軟件篩選

接受糟糕的表現(xiàn)

正確的決定非常取決于具體情況。通常，決策矩陣用于通過(guò)評(píng)估設(shè)計(jì)平衡一系列因素（如成本、性能、可靠性、工作范圍等）的程度來(lái)確定最佳設(shè)計(jì)決策（見(jiàn)圖1）。

在創(chuàng)建決策矩陣的權(quán)重分布（相對(duì)重要性）時(shí)，Nuvation Engineering與客戶合作，確定設(shè)計(jì)決策的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素的優(yōu)先級(jí)。這些因素通常包括：

成本

性能

功能集

可靠性

附表

總結(jié)

在為外層空間或更地面和世俗的目的設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，必須始終在設(shè)計(jì)中考慮一定程度的抗苛處理或不太理想的環(huán)境條件。我們都把電視遙控器掉在地板上（不止一次?。?，在雨中使用手機(jī)，甚至可能不小心把我們的智能手表撞到了門(mén)把手上。當(dāng)這些產(chǎn)品幸存下來(lái)時(shí)，是因?yàn)樵O(shè)計(jì)師預(yù)料到了這些場(chǎng)景。在極端惡劣的環(huán)境中，例如外太空的寒冷真空或沙漠的高溫和灰塵，設(shè)計(jì)考慮因素對(duì)產(chǎn)品的可行性變得更加重要，從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，解決方案變得更加復(fù)雜。

無(wú)論您是在設(shè)計(jì)電視遙控器還是衛(wèi)星系統(tǒng)組件，工程規(guī)劃工作都圍繞相同的規(guī)劃決策展開(kāi)。

確定產(chǎn)品可能遭受的濫用類(lèi)型。

定義產(chǎn)品必須無(wú)故障運(yùn)行的環(huán)境條件范圍。

做出設(shè)計(jì)決策，確保產(chǎn)品在其環(huán)境中幸存下來(lái)，并承受將對(duì)其產(chǎn)生影響的預(yù)期力量。

查看產(chǎn)品要求，找到平衡成本與功能和彈性的方法。

探索在不影響功能的情況下降低成本的創(chuàng)新方法，例如我們?cè)谲浖胁捎萌哂嘣O(shè)計(jì)、接地以防止 ESD 或利用保形密封劑保護(hù)組件的示例。

審核編輯：郭婷