（本文編譯自electronicdeisgn）

電源被廣泛應(yīng)用于各種惡劣且要求苛刻的環(huán)境中。那么，究竟怎樣的現(xiàn)代電源能夠稱得上是“堅(jiān)固”的，這視情況而定。例如，一個堅(jiān)固到足以承受高海拔環(huán)境的電源，可能并不具備耐受海洋環(huán)境的能力。那么，在沒有標(biāo)準(zhǔn)定義的情況下，要如何獲得所需的堅(jiān)固型電源呢？

無論規(guī)格說明是一份半頁紙的文檔，還是長達(dá)30頁的文件，在涉及堅(jiān)固型電源設(shè)計(jì)時，都有一些問題需要注意問，也有一些標(biāo)準(zhǔn)需要考慮。找到合適的設(shè)計(jì)和制造合作伙伴也會有所幫助。

歸根結(jié)底，想要獲得堅(jiān)固型電源的工程師們需要在以下四個關(guān)鍵領(lǐng)域明確他們的要求：

• 機(jī)械

• 環(huán)境

• 電氣

• 長壽命

堅(jiān)固型電源設(shè)計(jì)的機(jī)械層面

一般來說，對于電源的機(jī)械性能，應(yīng)詢問三個關(guān)鍵問題：

• 在其整個使用周期內(nèi)，該電源設(shè)備會受到顯著的振動或沖擊嗎？

• 該電源設(shè)備是否需要金屬外殼來抵御各種危險(xiǎn)？

• 電源將如何保持連接，或者該設(shè)備在物理上要如何插入？

振動與沖擊：面臨強(qiáng)烈振動或沖擊的電源可能需要用環(huán)氧樹脂之類的材料進(jìn)行灌封。液態(tài)樹脂固化后，電源裝置會變得像磚塊一樣堅(jiān)硬。如果你的應(yīng)用場景需要不同類型的灌封材料，聚氨酯或許是一個合適的替代選擇。

在不太嚴(yán)苛的應(yīng)用中，使用固持膠而非灌封材料可能是正確的選擇。固持膠通過將振動降至最低并減輕引腳所受壓力來保護(hù)電子元件。通常，這些膠水會用于電源印刷電路板組件（PCBA）中較高的元件，比如電容器、變壓器，或是其他無源元件和磁性元件。

金屬外殼：大多數(shù)電源都被置于金屬或塑料外殼內(nèi)。塑料通常更輕且成本更低，但金屬外殼往往具有更強(qiáng)的抗沖擊性，尤其是在抵御具有高終端速度的物體時。如果你正在設(shè)計(jì)一款必須具備防彈功能的電源裝置，你可能需要一個厚鋼制外殼。如果你需要的是防冰雹，那么不同類型、不同厚度的金屬可能是最適合的。

連接性：連接器是相互配對的機(jī)械裝置，這樣電能就能從電源源頭流向其目的地。連接器需要保持連接狀態(tài)，但在惡劣環(huán)境中，它們始終存在松脫的風(fēng)險(xiǎn)。對于堅(jiān)固型電源，可能需要具備旋轉(zhuǎn)解鎖功能或其他釋放機(jī)制的連接器。

環(huán)境造就了堅(jiān)固型電源

對于堅(jiān)固型電源，需考慮的環(huán)境因素可分為以下幾類：

• 溫度

• 濕度

• 鹽分

• 污染物

• 海拔高度

溫度：許多電子元件的設(shè)計(jì)適用溫度范圍是0到70攝氏度。不過，將規(guī)格說明書上的溫度范圍與你的應(yīng)用需求進(jìn)行對比仍然十分重要。熱漂移，即由溫度變化引起的性能變化，會影響元件的性能，在大功率應(yīng)用中尤其如此。

在電源中，用于儲存能量的鋁電解電容器在極寒條件下會失去其電氣性能。雖然有適用于低溫環(huán)境的鋁電解電容器，但它們通常電容量較小，這最終會影響電源的設(shè)計(jì)。例如，當(dāng)你在設(shè)計(jì)一款安裝在電線桿上的電源，且該電源要在北極環(huán)境中開啟攝像頭時，這一點(diǎn)就很值得考慮。

高溫也會導(dǎo)致元件性能出現(xiàn)很大差異。比如，石油和天然氣行業(yè)要求電源能夠承受高達(dá)150攝氏度的高溫。在某些情況下，這些電源設(shè)備會與安裝在大型鉆機(jī)上的印刷電路板（PCB）配合使用。當(dāng)鉆機(jī)高速鉆穿巖石時，會產(chǎn)生摩擦并積聚熱量，這可能會給連接在鉆機(jī)上的電源帶來問題。

濕度：高濕度會導(dǎo)致水分在電源的電子元件上凝結(jié)。反過來，這可能會形成導(dǎo)電通路，從而導(dǎo)致短路和腐蝕。帶有適當(dāng)通風(fēng)裝置的密封外殼可以防止水分進(jìn)入電源，但有些應(yīng)用場景可能需要對表面貼裝元件進(jìn)行共性覆膜處理。

鹽分：在海洋環(huán)境中，腐蝕不僅可能影響電源的內(nèi)部元件，還會影響其金屬外殼。如果鋁和另一種金屬接觸到海水，就可能發(fā)生電偶腐蝕。對于這類惡劣的應(yīng)用場景，可以使用輻照鋁，但前提是整個設(shè)備要通過鹽霧測試。

污染物：各種各樣的污染物也會影響電源的性能。在很多情況下，空氣中的灰塵是最大的問題。然而，工業(yè)環(huán)境可能面臨不同的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在機(jī)械加工車間，導(dǎo)電的金屬屑可能會產(chǎn)生電弧，從而損壞銑床中的電路板。如果電源與動物密切接觸，具有導(dǎo)電性的毛發(fā)也可能帶來風(fēng)險(xiǎn)。

海拔高度：海拔高度也會影響電源的性能，尤其是在散熱方面。由于高海拔地區(qū)空氣密度較低，對流和強(qiáng)制空氣冷卻的效果會變差。如果你的產(chǎn)品要在科羅拉多州丹佛市或其他山區(qū)使用，這一點(diǎn)就很關(guān)鍵。同樣，商用飛機(jī)或軍用飛機(jī)上使用的散熱器在飛機(jī)飛行時的散熱效果不如在地面時好。

堅(jiān)固型電源中瞬態(tài)現(xiàn)象的重要性

堅(jiān)固型電力電子設(shè)備需要一定程度的保護(hù)來抵御瞬態(tài)現(xiàn)，即電源輸入端電壓或電流的突然、短時變化。這些瞬態(tài)現(xiàn)象表現(xiàn)為電力線路上的尖峰或驟降，可能由雷擊等事件引發(fā)，雷擊可能會導(dǎo)致電壓浪涌。這就是為什么電線桿上要安裝避雷裝置，以及為什么在風(fēng)暴頻發(fā)地區(qū)比在沙漠氣候地區(qū)能看到更多這類裝置的原因。

不過，雷擊并非輸入瞬態(tài)現(xiàn)象的唯一成因。諸如電動機(jī)等感性負(fù)載的快速切換，甚至是同一電路上其他設(shè)備的用電情況突然變化，也都能觸發(fā)瞬態(tài)現(xiàn)象。

輸入瞬態(tài)現(xiàn)象：大多數(shù)輸入瞬態(tài)現(xiàn)象是由雷擊電源線引起的。這可能會影響建筑物內(nèi)的設(shè)備，但當(dāng)電源安裝在室外，尤其是安裝在室外金屬電線桿上時，風(fēng)險(xiǎn)會更大。不過，這些上升時間極快、持續(xù)時間很短（通常以微秒或毫秒為單位衡量）的瞬態(tài)現(xiàn)象，通常也會在工業(yè)負(fù)載快速開啟和關(guān)閉時出現(xiàn)。這被稱為“線路振鈴”現(xiàn)象。

例如，一名工人在工廠車間突然開啟一臺電焊機(jī)。這臺電焊機(jī)與一臺配備可編程邏輯控制器（PLC）的數(shù)控機(jī)床使用同一根電源線。電焊機(jī)產(chǎn)生的電流可能會給連接到這臺機(jī)床接地端的任何設(shè)備引入瞬態(tài)電壓。如果沒有足夠的電氣隔離，PLC可能會出現(xiàn)故障。

負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象：負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象是指電路所消耗電流的突然、短暫變化。它們會導(dǎo)致電源負(fù)載的快速增加或減少，這可能會引發(fā)輸出電壓的暫時波動。有些電源驅(qū)動的容性負(fù)載非常大，以至于每次開啟時看起來就像發(fā)生了短路一樣。

負(fù)載可能會大幅波動，而且在某些情況下還會出現(xiàn)電能回饋的情況。在工廠車間里，這是個問題，因?yàn)槟抢镉兄匦?a class="keyword-search" >電動機(jī)和其他工業(yè)級系統(tǒng)。例如，驅(qū)動熱泵的電動機(jī)平均負(fù)載可能為50瓦。但有時，可能需要高達(dá)75瓦的額外功率。也有時候會有多達(dá)25瓦的電能回饋。

電動機(jī)可以充當(dāng)發(fā)電機(jī)。當(dāng)電動機(jī)的動能轉(zhuǎn)化回電能時，就會發(fā)生這種被稱為“能量再生”的過程。

雖然高壓瞬態(tài)現(xiàn)象有可能損壞電源中的功率晶體管和二極管，但大電流浪涌會導(dǎo)致電路故障，因此需要使用保護(hù)機(jī)制。

堅(jiān)固型電源的壽命有多長？

大多數(shù)工程師都希望電源的設(shè)計(jì)能夠經(jīng)受住時間的考驗(yàn)，但它們究竟需要持續(xù)使用多長時間呢？通常，應(yīng)用的類型決定了“長壽命”的定義。例如，許多消費(fèi)類產(chǎn)品預(yù)期的使用壽命僅為五年左右。相比之下，醫(yī)療行業(yè)使用的醫(yī)療設(shè)備和其他器械預(yù)期使用壽命則為十年或更長時間。工業(yè)產(chǎn)品需要使用更長時間，通常在十五年以上。

國防和航空航天電子設(shè)備中的電源，對于“長壽命”也有不同的定義。許多軍用級電源必須堅(jiān)固耐用，但也有一些可能只需在單次單程任務(wù)期間正常運(yùn)行即可。與此相反，汽車和其他交通系統(tǒng)核心部位的電源，可能一次就需要持續(xù)使用數(shù)十年。例如，許多控制列車信號的電力繼電器已經(jīng)服役超過五十年了。

為電源選擇的器件也各自有其使用壽命。比如在筆記本電腦中，通常由風(fēng)扇來提供散熱功能。隨著時間的推移，風(fēng)扇會逐漸磨損，濾網(wǎng)也可能會堵塞。至于電源中的鋁電解電容器，即便電源設(shè)備的設(shè)計(jì)較為保守，其工作壽命也很少能超過十五年。

對電源“堅(jiān)固性”的定義取決于應(yīng)用場景

歸根結(jié)底，電源設(shè)計(jì)師需要依據(jù)自身的需要來定義“堅(jiān)固”的概念。目前并不存在一個普遍認(rèn)可的定義，使一款電源設(shè)備具備堅(jiān)固特性的要素，在另一種情況下可能并不適用，或者在不同的應(yīng)用場景中這些要素可能并不匹配。不過，通過選擇合適的電源制造商，并與他們合作進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，就能獲得應(yīng)對這一挑戰(zhàn)所需的幫助。