（本文編譯自electronicdeisgn）

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

無論規格說明是一份半頁紙的文檔，還是長達30頁的文件，在涉及堅固型電源設計時，都有一些問題需要注意問，也有一些標準需要考慮。找到合適的設計和制造合作伙伴也會有所幫助。

歸根結底，想要獲得堅固型電源的工程師們需要在以下四個關鍵領域明確他們的要求：

• 機械

• 環境

• 電氣

• 長壽命

堅固型電源設計的機械層面

一般來說，對于電源的機械性能，應詢問三個關鍵問題：

• 在其整個使用周期內，該電源設備會受到顯著的振動或沖擊嗎？

• 該電源設備是否需要金屬外殼來抵御各種危險？

• 電源將如何保持連接，或者該設備在物理上要如何插入？

振動與沖擊：面臨強烈振動或沖擊的電源可能需要用環氧樹脂之類的材料進行灌封。液態樹脂固化后，電源裝置會變得像磚塊一樣堅硬。如果你的應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。

在不太嚴苛的應用中，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：大多數電源都被置于金屬或塑料外殼內。塑料通常更輕且成本更低，但金屬外殼往往具有更強的抗沖擊性，尤其是在抵御具有高終端速度的物體時。如果你正在設計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，但在惡劣環境中，它們始終存在松脫的風險。對于堅固型電源，可能需要具備旋轉解鎖功能或其他釋放機制的連接器。

環境造就了堅固型電源

對于堅固型電源，需考慮的環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：許多電子元件的設計適用溫度范圍是0到70攝氏度。不過，將規格說明書上的溫度范圍與你的應用需求進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計。例如，當你在設計一款安裝在電線桿上的電源，且該電源要在北極環境中開啟攝像頭時，這一點就很值得考慮。

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

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

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

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，工業環境可能面臨不同的風險。例如，在機械加工車間，導電的金屬屑可能會產生電弧，從而損壞銑床中的電路板。如果電源與動物密切接觸，具有導電性的毛發也可能帶來風險。

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。由于高海拔地區空氣密度較低，對流和強制空氣冷卻的效果會變差。如果你的產品要在科羅拉多州丹佛市或其他山區使用，這一點就很關鍵。同樣，商用飛機或軍用飛機上使用的散熱器在飛機飛行時的散熱效果不如在地面時好。

堅固型電源中瞬態現象的重要性

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

不過，雷擊并非輸入瞬態現象的唯一成因。諸如電動機等感性負載的快速切換，甚至是同一電路上其他設備的用電情況突然變化，也都能觸發瞬態現象。

輸入瞬態現象：大多數輸入瞬態現象是由雷擊電源線引起的。這可能會影響建筑物內的設備，但當電源安裝在室外，尤其是安裝在室外金屬電線桿上時，風險會更大。不過，這些上升時間極快、持續時間很短（通常以微秒或毫秒為單位衡量）的瞬態現象，通常也會在工業負載快速開啟和關閉時出現。這被稱為“線路振鈴”現象。

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

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

負載可能會大幅波動，而且在某些情況下還會出現電能回饋的情況。在工廠車間里，這是個問題，因為那里有重型電動機和其他工業級系統。例如，驅動熱泵的電動機平均負載可能為50瓦。但有時，可能需要高達75瓦的額外功率。也有時候會有多達25瓦的電能回饋。

電動機可以充當發電機。當電動機的動能轉化回電能時，就會發生這種被稱為“能量再生”的過程。

雖然高壓瞬態現象有可能損壞電源中的功率晶體管和二極管，但大電流浪涌會導致電路故障，因此需要使用保護機制。

堅固型電源的壽命有多長？

大多數工程師都希望電源的設計能夠經受住時間的考驗，但它們究竟需要持續使用多長時間呢？通常，應用的類型決定了“長壽命”的定義。例如，許多消費類產品預期的使用壽命僅為五年左右。相比之下，醫療行業使用的醫療設備和其他器械預期使用壽命則為十年或更長時間。工業產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固耐用，但也有一些可能只需在單次單程任務期間正常運行即可。與此相反，汽車和其他交通系統核心部位的電源，可能一次就需要持續使用數十年。例如，許多控制列車信號的電力繼電器已經服役超過五十年了。

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，通常由風扇來提供散熱功能。隨著時間的推移，風扇會逐漸磨損，濾網也可能會堵塞。至于電源中的鋁電解電容器，即便電源設備的設計較為保守，其工作壽命也很少能超過十五年。

對電源“堅固性”的定義取決于應用場景

歸根結底，電源設計師需要依據自身的需要來定義“堅固”的概念。目前并不存在一個普遍認可的定義，使一款電源設備具備堅固特性的要素，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，并與他們合作進行定制化設計，就能獲得應對這一挑戰所需的幫助。