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

專為太空設(shè)計的產(chǎn)品暴露在一些最惡劣的環(huán)境中。它們必須在劇烈振動、機(jī)械沖擊、寬溫度波動等條件下可靠運(yùn)行。

很少有產(chǎn)品在清潔、無塵、溫度控制、無振動、類似實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中運(yùn)行。您的商品可能會受到以下一項(xiàng)或多項(xiàng)影響：

機(jī)械振動/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

專為太空設(shè)計的產(chǎn)品暴露在一些最惡劣的環(huán)境中。它們必須在劇烈振動、機(jī)械沖擊、寬溫度波動、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24通道數(shù)據(jù)記錄器模塊時為外層空間環(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)計要求之一。太空中的產(chǎn)品受到來自太陽和其他恒星的各種高能粒子和電磁波的轟擊。這些電離輻射源會對電子設(shè)備造成短期干擾（例如位翻轉(zhuǎn)和存儲器擦除），并對半導(dǎo)體造成累積損壞。對于太空的長期任務(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。

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

Nuvation的航天器設(shè)計主要利用了COTS組件，并包括一些用于關(guān)鍵安全功能的抗輻射部件。通過在硬件和軟件中應(yīng)用多種設(shè)計技術(shù)來應(yīng)對輻射的影響，我們在組件選擇中實(shí)現(xiàn)了這種成本優(yōu)化，例如：

PCB設(shè)計包括所有雜散金屬島的接地。

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

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

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

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

這些設(shè)計方法的實(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。

沖擊和振動

航天器在上升過程中受到高g力和振動，并在每個分離階段經(jīng)歷劇烈沖擊。Nuvation采用了多種設(shè)計方法來處理這些情況，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。每個螺釘都擰緊到規(guī)定的扭矩，然后用太空級環(huán)氧樹脂加固。

PCB上的所有組件都必須考慮其對沖擊和振動的耐受性。例如，由于2類陶瓷電容器容易產(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)氧樹脂粘合。

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

硬真空

空間的另一個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，由于對流傳熱不會在真空中發(fā)生，因此必須通過傳導(dǎo)或輻射傳熱來冷卻組件。

Nuvation Engineering設(shè)計了空間PCBA，通過實(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)氧樹脂應(yīng)用于某些部件，以提高其對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

雖然太空是一個惡劣的環(huán)境，但地球上可以找到一些最惡劣的環(huán)境。每年，許多Nuvation工程師都會為設(shè)計和建造電動和自動駕駛的突變車輛做出貢獻(xiàn)，該車輛被帶到內(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。車輛暴露在崎嶇不平的道路上的高振動中，并且缺乏振動。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)計必須能夠承受較大的溫度波動（包括車輛本身產(chǎn)生的高溫）和高振動水平?？紤]到任何沙漠的偏遠(yuǎn)位置和危險條件，車輛的持續(xù)可靠運(yùn)行至關(guān)重要。注意設(shè)計細(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)場的可靠性。

重要的是要認(rèn)識到，產(chǎn)品的最終用戶可能會將其暴露在不太理想的條件下。在為電網(wǎng)規(guī)模的儲能系統(tǒng)調(diào)試電池管理系統(tǒng)時，Nuvation工程師發(fā)現(xiàn)，來自電源轉(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)在同一個房間里。

設(shè)置設(shè)計要求

電子設(shè)計的第一步是定義產(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)計決策和執(zhí)行驗(yàn)證的參考。

在項(xiàng)目開始時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/沖擊？

產(chǎn)品是否會暴露在高水平的電噪聲中？

產(chǎn)品是否會暴露在污垢、灰塵或其他污染物中？

如有疑問，請執(zhí)行第 0 階段

上述問題的答案用于生成設(shè)計要求，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）應(yīng)用程序級功能。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)生滿足所需價位的可行產(chǎn)品。在Nuvation Engineering，我們將這種級別的前期調(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)先級更高）可以充分改變組件和設(shè)計要求，使項(xiàng)目更加可行?；蛘?，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)計方法時引用。對于具有技術(shù)風(fēng)險的高度復(fù)雜的項(xiàng)目（即做以前從未做過的事情，或者以前從未嘗試過的方式），階段0提供可行性的工程驗(yàn)證，并提出客戶可以用來驗(yàn)證預(yù)算和確定后續(xù)步驟的設(shè)計方法。

讓環(huán)境更友好

一般來說，從源頭上處理問題更有效。不幸的是，這并不總是可能的。例如， 在為給定溫度范圍設(shè)計電路板時， 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)計電路板。

類似的過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，決策矩陣用于通過評估設(shè)計平衡一系列因素（如成本、性能、可靠性、工作范圍等）的程度來確定最佳設(shè)計決策（見圖1）。

在創(chuàng)建決策矩陣的權(quán)重分布（相對重要性）時，Nuvation Engineering與客戶合作，確定設(shè)計決策的關(guān)鍵驅(qū)動因素的優(yōu)先級。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)計產(chǎn)品時，必須始終在設(shè)計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把手上。當(dāng)這些產(chǎn)品幸存下來時，是因?yàn)樵O(shè)計師預(yù)料到了這些場景。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)計考慮因素對產(chǎn)品的可行性變得更加重要，從設(shè)計角度來看，解決方案變得更加復(fù)雜。

無論您是在設(shè)計電視遙控器還是衛(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。

確定產(chǎn)品可能遭受的濫用類型。

定義產(chǎn)品必須無故障運(yùn)行的環(huán)境條件范圍。

做出設(shè)計決策，確保產(chǎn)品在其環(huán)境中幸存下來，并承受將對其產(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，例如我們在軟件中采用冗余設(shè)計、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