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系统连接性对功能性、可靠性和安全性至关重要
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系统连接性对功能性、可靠性和安全性至关重要

2022-05-17 10:41:38 来源:连接器世界网 作者:《Evaluation Engineering》编辑Alix Paultre

【哔哥哔特导读】在我们这个先进的、互联的、以电子为导向的社会中,基于设备的解决方案正在渗透到比以往更多的应用空间,这种扩展将硬件系统置于必须准备好应对的极端情况。

在我们这个先进的、互联的、以电子为导向的社会中,基于设备的解决方案正在渗透到比以往更多的应用空间,这种扩展将硬件系统置于必须准备好应对的极端情况。

大多数人认为,在恶劣的环境中,他们只需要担心将硬件暴露在潮湿和肮脏的环境中。虽然这个假设大部分是正确的,但它是不完整的。除了湿气和污垢之外,用于挑战性环境的电子系统还必须能够处理振动、冲击和热情况(图 1)。

图1: 用于挑战性环境的电子系统必须能够处理湿气、污垢、振动、冲击和热情况。

这在面向政府和市政的应用领域尤其重要,例如军事/航空航天和土木工程,在这些领域中,故障不仅可能导致人员伤亡,而且可能会产生重大的民事、政治或战略影响。在这些情况下任务失败是不可接受的,不仅需要性能最佳的解决方案,而且还需要在现场安全可靠的解决方案。

即使复杂的电子系统可能非常复杂,除非所涉及的子系统之间的互连坚固耐用,否则整体设计就有失败的风险。像任何链条一样,一个系统的好坏取决于其能力最低的环节的性能。

解决生存能力

连接器的安全性和可靠性是一个不容小觑的方面。设计不良的插头极性和配合可能不仅会带来操作风险——如果连接器接口难以锁定到位或难以实施,它可能会导致用户采取变通方法,从而给操作员和设备带来更大的风险。

布线和互连的性能直接关系到设施及其操作员的安全(图 2)。例如,2013 年 1 月 26 日,在墨西哥湾 Bois d'Arc 勘探公司的 Spartan 海上钻井平台上,固井承包商贝克休斯的一名工人正在排除电子故障。有证据表明,他怀疑提供直流电源的盒子中的电池已放电。

图2:布线和互连的性能直接关系到设施及其操作人员的安全。

不幸的是,当他试图通过插入115V三线延长线来解决问题时,他随后被触电身亡。安全与环境执法局(BSEE)小组对事件进行了调查,确定在致命事件之前的某个时间点,湿气进入了电池盒和延长线的电气连接。这是由延长线的母插头端短路引起的,延长线内部有烧坏的地线。

如果所涉及的电缆和连接系统足够坚固和可靠,以确保在任何可预见的环境条件下正常运行,这种人为损失是可以避免的。热量、湿度、灰尘和振动是安全和可靠性方面的挑战,在处理部署在恶劣环境中的系统时,操作员和设备都是关键影响因素。

对最佳性能、安全性和可靠性的追求始于板级。如果子系统无法处理高温、冲击和振动,那么好的电缆也无法解决封装级问题。有很多方法可以解决这些问题,包括最近推出的可以长时间处理高温、辐射、冲击甚至化学腐蚀环境的材料。

除了芯片侧的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙(WBG)半导体材料外,氮化铝(AlN)等其他解决方案可以替代半导体行业的氧化铍(BeO)。AlN 不仅解决了 BeO 的毒性问题,而且其热膨胀系数低于 BeO 或氧化铝,与硅晶片的热膨胀系数非常接近。

这种封闭和保护方法延伸到包装,它必须由适合应用的材料制成,并且能够抵抗极端环境。除了包含系统之外,机箱还向世界展示了用户界面和 I/O 功能。任何包装不仅要解决形式和功能问题,还要解决恶劣环境的问题。即使是最基本的电子产品也可以利用传统解决方案,如电路板覆层、用于热传递和减震的灌封以及加固封装。

只有为连接提供可靠和安全的锚点,链接才能可信。这从板级开始,并向上渗透到系统架构的各个方面。然后,正确的互连解决方案可以确保整个系统的安全性和预期性能。

密封和过滤也是关键考虑因素。此外,任何涉及冷却和/或加热的非对流热管理解决方案都必须解决诸如通风口的完整性和风扇对环境的保护等问题。

标准与合规

在性能方面,许多行业都有各种标准来处理遗留产品和/或开发核心技术能力。例如,对于以太网,可以使用 Cat5、Cat6 或 Cat7 电缆和连接器,具体取决于带宽要求。

在已部署的系统中,确保所有网络组件都支持给定子系统呈现的最高类别级别非常重要。在同一网络上混合使用 Cat5、Cat6 或 Cat7 电缆和连接器很容易导致系统性能下降。

然而,安全必须始终在最高级别进行标准化,这就是为什么它是几乎总是由相关政府和/或市场监管的产品的一个方面。这意味着设计不仅必须满足您的安全和性能目标,还必须满足行业和政府法规和标准。如果计划得当,设计可以轻松实现两者,但前提是具有适当的知识和远见。

例如,领先自动化公司的国际协会ODVA使用 M12 以太网标准,这是一种用于工业以太网应用的 4 位 D 编码连接器。M12 可防止灰尘、水、振动、冲击和极端温度,适合恶劣的工业环境。但是,通过在早期开发中规划此类指定的解决方案,您可以确保轻松合规。

这超出了金属线,因为工业应用的光纤电缆越来越受欢迎。诸如 ANSI/TIA-568 系列电信标准的要求涉及平衡双绞线、光纤和同轴电缆,这些要求会随着最新的 TIA 电信电缆规范不断更新。

美国国家标准协会(ANSI) 要求标准必须每五年确认、更新或取消。因此,ANSI/TIA-568 系列标准自 1991 年首次发布以来经历了三组修订。

席卷汽车标准

解决多个市场的标准(例如,在制造汽车产品时)非常重要。例如,LVDS、LV214 和 USCAR 是三个重要的汽车标准,任何面向多个市场的汽车解决方案都需要解决这些问题。LVDS 代表低电压差分信号,这是一种用于高速数据传输的全球通用接口标准,正在应用于电子制动等汽车系统。

汽车连接解决方案中的安全方面涉及诸如端子定位保证等关键功能,以确保压接端子在外壳中的正确定位和保持。此外,连接器定位保证规定两个配合半部必须锁定在其最终位置。另一个重要要求涉及连接器极化以避免不正确的配合,或用于汽车线束的特定压接力。

最新的汽车系统设计采用使用高速 I/O 连接器(如 HSD、HSBridge、NETBridge、USB 和 HDMI)的高性能设备间通信系统。这些需要根据 USCAR 规范和 LVDS 协议进行验证,以解决具有苛刻要求的高级汽车设计。

无论汽车系统的功能和功能多么强大,如果在子系统和车辆逻辑之间传输数据的互连和其他连接解决方案无法完成工作,或者在环境压力下出现故障,或者在错误的条件(图 3)。

图3:如果在子系统和车辆逻辑之间传输数据的互连和其他连接解决方案发生故障,即使是最强大的汽车系统的所有优势也将丧失。

这些问题超越了汽车领域,影响着每一个涉及电子产品的现代应用空间。从产品的用户界面到板上的控制电子设备再到电源,系统的每个部分都需要可靠、功能强大的电源和信号连接。这些电缆和连接器解决方案还必须随着技术能力的提高,在能力、性能和可靠性方面继续向上迁移。

这尤其适用于已知具有恶劣操作环境的应用空间。例如,在欧洲,重型商业和工业连接器的制造符合 IEC 60309 和基于它的标准,如 BS 4343 和 BS EN 60309-2。在英国通常称为CEE工业、CEEform 或简称 CEE 插头,IEC 60309 连接器的最大额定电压为 1000 V dc 或 ac,最大额定电流为 800 A。插头可提供带中性线的不平衡单相、平衡单相、三相无中性线和三相中性线,电流高达 200 A。

军事和航空航天系统对各个方面都有要求,其中不少与安全和性能有关。例如,MIL-DTL-83723F 涵盖了圆形电气连接器及其相关触点和附件的耐环境要求。带有不可拆卸触点的密封插座必须在 -65 至 200ºC 的温度范围内工作。

EN2997 符合 MIL-DTL-83723 标准,是一种相关的连接器规范,适用于极端环境中的应用,例如发动机飞机应用,其中振动、EMI 和高温问题至关重要。

考虑连通性

重要的是要记住,连接到外壳的连接器是外壳完整性和可靠性不可或缺的一部分。电缆和连接器必须能够承受与它们连接的系统相同的外部极端环境温度、压力和湿度。诸如允许的电缆弯曲和拉伸以及连接连接器时潜在的用户错误等问题使这更加复杂。

任何给定插头的结构和材料都会直接影响性能。使用高级耐腐蚀材料,以及电镀和接触表面处理,将加强连接器,利用包装的封装和衬垫。在系统预计会暴露在水中的情况下,安全和防水的连接至关重要。连接器设计也会影响性能,因为不良的端接触觉会增加用户错误,从而导致密封失败或密封不当。

此外,重要的是要记住,环境危害包括昆虫、鸟类和害虫,它们可能会啃食绝缘材料和盆栽等物品。所涉及的互连和电子系统同样相互依赖,形成一个集成结构,必须协同工作以提供所需的功能和性能。这在系统故障可能导致重大生命和财产损失的应用中尤为重要。

这些性能要求是对解决所涉及设备的功率和信号要求的基本需求之外的。外壳中的每个孔都是可能导致系统潜在故障的进入机会。连接器故障可以绕过任何包装预防措施,从而使危险绕过保护措施。在某些情况下,注意匹配各种连接系统之间的热膨胀系数等方面也很重要,以免温度循环引起应力或断裂风险。

在大多数工业应用中,需要具有 IP65 或 IP67 防护等级的连接器来防止任何东西进入连接器并降低性能。为工业应用设计的连接器通常具有带密封垫圈的正向锁定机构,以防止污染物和振动。给定系统中的每条电缆和每个连接器都必须与该系统中的所有其他组件一样坚固可靠,否则就有可能受到损害。

连接应该简单直观——任何未对准错误都可能导致可能导致系统故障的情况。拥有非常明显和直观的连接机制非常重要,尤其是在电缆经常耦合和分离的情况下,例如电池更换和维护。采用可靠接触技术的坚固连接器可降低鉴定和维护成本。

在设计阶段尽早正确评估所需的性能和环境性能,将创造出一种耐用的产品,该产品可以在任何可能结束的地方以具有成本效益的方式按预期运行。使用从开源社区到组件、外壳和互连供应商的可用资源,将减少设计负担并最大限度地利用可用资源。

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