电子设备设计技巧：在恶劣环境中运行

专为太空设计的产品暴露在一些最恶劣的环境中。它们必须在剧烈振动、机械冲击、宽温度波动等条件下可靠运行。

很少有产品在清洁、无尘、温度控制、无振动、类似实验室的环境中运行。您的商品可能会受到以下一项或多项影响：

机械振动/冲击

高压或低压（例如高海拔）

极端温度

污垢/灰尘或其他污染物

湿度或湿度

电离辐射

电磁干扰（传导或辐射）

静电放电和瞬变

空间设计

专为太空设计的产品暴露在一些最恶劣的环境中。它们必须在剧烈振动、机械冲击、宽温度波动、真空环境和电离辐射下可靠运行。本文将分享Nuation Engineering在为空间系统Loral（SSL）建造的航天器设计24通道数据记录器模块时为外层空间环境实施的一些解决方案。

辐射

辐射是最具挑战性的设计要求之一。太空中的产品受到来自太阳和其他恒星的各种高能粒子和电磁波的轰击。这些电离辐射源会对电子设备造成短期干扰（例如位翻转和存储器擦除），并对半导体造成累积损坏。对于太空的长期任务（通常约为15年），唯一的选择是使用抗辐射（又名“抗辐射”）组件。与标准组件相比，这些组件相对稀缺。抗辐射组件的成本可能是地面等效物的十到五百倍。

对于短期太空任务（一年或更短时间），有时允许在设计中使用标准的商用现成（又名“COTS”）组件，但须对其辐射耐受性进行分析和测试。这可以大大降低设计空间设备的成本，并扩大可用于设计的组件选择。

Nuvation的航天器设计主要利用了COTS组件，并包括一些用于关键安全功能的抗辐射部件。通过在硬件和软件中应用多种设计技术来应对辐射的影响，我们在组件选择中实现了这种成本优化，例如：

PCB设计包括所有杂散金属岛的接地。

我们的设计工程师选择了一种特殊的存储技术，称为“磁阻内存”，它对电离辐射特别耐受。

为了避免由于空间辐射效应导致代码存储器损坏，代码存储器IC的写使能选通在飞行过程中断开

在软件中，关键内存记录在 3 个不同的位置变得多余。该软件不断扫描这三个位置，以确定与其他两个副本相比，一个副本中是否出现任何错误。如果出现错误，则会根据其他两个正常副本更正该值。同样的数据三重和比较原则适用于几种不同的情况。

采用多级软件和硬件看门狗，使系统能够从任何类型的意外处理器故障中恢复。

这些设计方法的实施与包括一些抗辐射组件相结合，大大降低了与辐射损害影响相关的潜在风险。

冲击和振动

航天器在上升过程中受到高g力和振动，并在每个分离阶段经历剧烈冲击。Nuvation采用了多种设计方法来处理这些情况，包括：

PCBA包含在机加工的铝制外壳中，该外壳具有许多单独的旋入位置。每个螺钉都拧紧到规定的扭矩，然后用太空级环氧树脂加固。

PCB上的所有组件都必须考虑其对冲击和振动的耐受性。例如，由于2类陶瓷电容器容易产生压电效应（即它们响应机械应力产生电荷），Nuvation的设计工程师最大限度地减少了其在关键模拟电路中的使用。

焊接到PCB上的大型或重型元件还用环氧树脂粘合。

每件设备都需要进行广泛的老化测试，然后才能获得飞行认证。老化测试包括 48 小时压力测试，包括 10 个热/冷温度循环，以及 4 个强度为 30 Grms 的 2 分钟振动段。设备必须在整个 48 小时内保持通电并正常运行。这项广泛的测试验证了组件选择和设计方法提供的产品可以承受航天器级分离的极端冲击和振动事件。

硬真空

空间的另一个考虑因素是需要在硬真空中运行。虽然大多数COTS电子元件不是为在真空中使用而设计的，但只要充分注意散热，其中许多元件就可以很好地工作。然而，由于对流传热不会在真空中发生，因此必须通过传导或辐射传热来冷却组件。

Nuvation Engineering设计了空间PCBA，通过实现以下内容，将组件中的所有热量传导引导到铝制散热器/外壳中：

PCBA表面的两侧都充斥着铜以帮助传导。

将热组件放置在靠近机柜固定位置的位置。

选择性地将热环氧树脂应用于某些部件，以提高其对PCB的导电性。

真空倾向于导致滞留的气体从组件或材料泄漏，这种效应称为释气。由于这些气体可能会干扰航天器上的其他传感器或设备，因此必须根据其除气潜力选择PCBA上的所有组件。Nuvation的工程团队还在电路板上涂上了一种特殊的低释气、空间额定保形密封胶，这提供了在地面操作期间保护PCBA免受污染的额外好处。

地球上的恶劣环境

虽然太空是一个恶劣的环境，但地球上可以找到一些最恶劣的环境。每年，许多Nuvation工程师都会为设计和建造电动和自动驾驶的突变车辆做出贡献，该车辆被带到内华达州沙漠一周。白天的温度可以达到40°C（~104°F），晚上降至冰点以下。车辆暴露在崎岖不平的道路上的高振动中，并且缺乏振动。沙尘暴将一切都覆盖在一层薄薄的泥土中。电子设备的设计必须能够承受较大的温度波动（包括车辆本身产生的高温）和高振动水平。考虑到任何沙漠的偏远位置和危险条件，车辆的持续可靠运行至关重要。注意设计细节，例如采用防尘连接器/外壳，使灰尘/水远离电子设备，有助于确保现场的可靠性。

重要的是要认识到，产品的最终用户可能会将其暴露在不太理想的条件下。在为电网规模的储能系统调试电池管理系统时，Nuvation工程师发现，来自电源转换系统的辐射电噪声足以在笔记本电脑上带来可怕的蓝屏死机，而笔记本电脑只是与嘈杂的系统在同一个房间里。

设置设计要求

电子设计的第一步是定义产品要求。Nuvation Engineering与我们的客户合作，帮助在产品需求文档（PRD）中捕获这些要求。工程团队在项目期间使用此文档作为制定关键设计决策和执行验证的参考。

在项目开始时记录需求有助于避免以后发生重大的体系结构和设计更改。了解要求和约束使我们的工程师能够提供最佳的架构和设计实现选项。尽早清除这些详细信息可以更高效、更具成本效益地执行项目。重要的是，产品要求文档指定了产品的环境要求。珠三角应回答的问题包括：

产品将暴露在什么温度/湿度/压力范围内？

产品将受到什么程度的振动/冲击？

产品是否会暴露在高水平的电噪声中？

产品是否会暴露在污垢、灰尘或其他污染物中？

如有疑问，请执行第 0 阶段

上述问题的答案用于生成设计要求，这些需求将影响产品的成功或失败，以及（在恶劣的环境中，甚至可能超过）应用程序级功能。通常可以做出权衡决策，平衡成本、功能、工作范围和性能，以产生满足所需价位的可行产品。在Nuvation Engineering，我们将这种级别的前期调查称为0阶段，一种低成本的工程调查，使客户能够在继续之前确定项目工作的可行性甚至可取性。通常，对产品要求的轻微修改（例如，您是否真的需要120 fps的4K视频，或者单位成本的优先级更高）可以充分改变组件和设计要求，使项目更加可行。或者，如果阶段 0 验证产品需求是否按原样完全可行，则从该工作生成的文档将汇总到项目规划文档的第 1 阶段，并且可以在生成物料清单 （BOM） 和设计方法时引用。对于具有技术风险的高度复杂的项目（即做以前从未做过的事情，或者以前从未尝试过的方式），阶段0提供可行性的工程验证，并提出客户可以用来验证预算和确定后续步骤的设计方法。

让环境更友好

一般来说，从源头上处理问题更有效。不幸的是，这并不总是可能的。例如， 在为给定温度范围设计电路板时， 有许多选项可以处理极端温度：

收紧产品的工作温度额定值（如果您向用户指定产品必须在 +85°C 以下运行，则可能不需要将产品设计为高达 +125°C 的温度）。

选择是否需要加热电路， 冷却电路， 或两者， 管理电路板的温度。

使用可以承受很宽温度范围的组件设计电路板。

类似的过程可用于处理信噪比（SNR）特性较差的传感器。要考虑的选项包括：

使用更好的传感器

使用硬件筛选

使用软件筛选

接受糟糕的表现

正确的决定非常取决于具体情况。通常，决策矩阵用于通过评估设计平衡一系列因素（如成本、性能、可靠性、工作范围等）的程度来确定最佳设计决策（见图1）。

在创建决策矩阵的权重分布（相对重要性）时，Nuvation Engineering与客户合作，确定设计决策的关键驱动因素的优先级。这些因素通常包括：

成本

性能

功能集

可靠性

附表

总结

在为外层空间或更地面和世俗的目的设计产品时，必须始终在设计中考虑一定程度的抗苛处理或不太理想的环境条件。我们都把电视遥控器掉在地板上（不止一次！），在雨中使用手机，甚至可能不小心把我们的智能手表撞到了门把手上。当这些产品幸存下来时，是因为设计师预料到了这些场景。在极端恶劣的环境中，例如外太空的寒冷真空或沙漠的高温和灰尘，设计考虑因素对产品的可行性变得更加重要，从设计角度来看，解决方案变得更加复杂。

无论您是在设计电视遥控器还是卫星系统组件，工程规划工作都围绕相同的规划决策展开。

确定产品可能遭受的滥用类型。

定义产品必须无故障运行的环境条件范围。

做出设计决策，确保产品在其环境中幸存下来，并承受将对其产生影响的预期力量。

查看产品要求，找到平衡成本与功能和弹性的方法。

探索在不影响功能的情况下降低成本的创新方法，例如我们在软件中采用冗余设计、接地以防止 ESD 或利用保形密封剂保护组件的示例。

审核编辑：郭婷