使用合适的外壳确保电子设备的长期安全性和耐候性

对于许多 DIY 或原型项目设计人员来说，一旦完成电子设备的布局，往往要到最后一刻才会去寻找合适的外壳。如果项目是放在室内桌子上或挂在墙壁上短时间使用，这种做法合情合理。但是，如果该项目打算长时间在户外使用，那么很快就会受到气候的影响，或因为恶意破坏或无聊的猎奇心而遭受有意或无意的破坏。

若使用可用的材料制作合适的外壳，这会非常困难，而且虽然现成的外壳可能符合耐用性要求，但它们的尺寸可能不合适，很容易被破坏，或者缺乏美观。如果要在住宅或商业建筑的外部使用，后两者可能会成为问题。

对于将要放置在外面的小型电子设备壳体或外壳，最好选择一系列经过官方 IP-68 鉴定，能够有效地密封电子设备的聚碳酸酯外壳，以免受气候影响。

本文将讨论雨水、极端温度和日光对电子系统及其外壳的影响；接着介绍 IP-68 防护的含义，之后再介绍 Hammond Manufacturing 提供的同时符合物理和美观要求的外壳及相关衬垫。

为什么电子设备外壳需要提供环境防护

户外使用的电子系统容易受热、冷、湿气、直射阳光（尤其是紫外线 (UV)）、振动和物理破坏的影响，从而引起性能下降。它们还会受到许多电气和电磁噪声源的影响。设计人员可通过适当的电路设计、元器件降额和热管理技术（例如散热器、风扇），并通过最大限度地降低总功耗，来解决极端温度问题。通过将印刷电路板安装在隔振器，可以解决振动问题；使用滤波器、扼流圈和适当的接地技术，可以减少电气和射频噪声。

不过，湿气和湿度极为有害。一旦湿气渗透到系统中，就会增加湿度，导致凝结物，继而随着时间的推移发生腐蚀，最终导致半导体的钝化层、焊点和物理连接发生性能退化。再加上可能在外壳封闭前就进入外壳的污染物（如灰尘和碎屑等）时，损害效应将会加倍。湿气对元器件的影响体现在多个方面，包括电化学、电流、阳极和阴极影响。所有这些都会对电子设备的可靠性造成危害，其中有些比较细微，有些则更为明显（图 1）。


图 1：随着时间的推移，湿气和湿度对电子元器件、电路板和互连器件可能会造成非常大的伤害。（图片来源：PCFixit.au）

若采用在关键元器件上涂覆环氧树脂或凝胶之类的材料，则可以缓解湿气侵入的影响。对于大批量生产的系统，可以用 20 到 50 微米的保形涂层（极端情况下甚至可达 100 微米）覆盖整个印制电路板，这是一种很好的解决方案。但是，某些元器件如 DIP 开关、可变电阻器和电池座，却无法使用此类涂层。此外，保形涂层可能无法完全覆盖边缘（边缘涂布不均），导致印制线和连接暴露在腐蚀环境之下。

湿气的全部作用取决于热量和相对湿度。有关室外设备完整的湿气和湿度测试准则，请参阅 ETSI EN 300 019-1-4 V2.2.1 (2014-04)“环境工程 (EE)；电信设备的环境条件和环境测试；第 1-4 部分：环境条件的分类；在无气候防护场所固定使用”。

这对业余爱好者来说是一个有用的测试指南，对专业人士而言更是不可或缺。它将设备可能面临的各种条件分类为地震、冲击、太阳辐射和温度，并进一步将环境类别细分为水、降雨、霉菌生长、动物攻击（即白蚁）和空气盐度。此外，还包含一些与本文直接相关的实用定义，并强调了湿度的重要性：

· 绝对湿度：空气/水蒸气混合物中，一立方米干燥空气对应的水蒸气质量（克）。
· 无气候防护场所：设备所在场所未针对直接气候影响提供防护。
· 相对湿度：在给定温度下，湿空气中的水蒸气分压与相同温度下饱和空气中的水蒸气分压之比。
· 固定使用：使用固定安装在结构体或安装装置上的设备，或将设备永久放置在特定位置。

不过，对于设计人员而言，预防永远比治疗更有效。这正是国际防护 (IP) 等级 IP-68 发挥作用的地方。

什么是 IP-68？

IP 是英文 Ingress Protection（侵入防护）的首字母缩写，IP 编码源自 EN 60529 标准，其中分配了两位数字来指示所提供的灰尘和湿气防护等级（图 2）。分配的数字就针对固体物（例如手指和手）以及灰尘和水提供的防护程度进行了分类。目的是明确地阐述“防水”之类模糊且主观的术语。

IP 后的第一个数字与固体有关，第二个数字与液体有关。因此，就 IP-68 而言，系统如果能够针对灰尘 (6) 以及长时间的水流喷射或受压沉浸 (8) 提供完全防护，则表明其符合要求。


图 2：IP 代码分配了指示系统灰尘（左）和湿气（右）防护程度的数字。（图片来源：focusondrives.com）

如何满足 IP-68 要求

尽管可以从头开始设计 IP-68 外壳，但由于 Hammond Manufacturing 等公司已经完成相应的基础工作，实际上并不需要重起炉灶。该公司的 1557 系列外壳适用于恶劣环境，采用了紫外线稳定型聚碳酸酯材料，达到 IP-68 要求，同时还兼顾了美观性，拥有“现代化”的外观和“柔和”曲线，并提供两种颜色（黑色和浅灰色）选择（图 3）。


图 3：1557 系列外壳可满足 IP-68 和设计美观性要求，同时提供多种安装选择。（图片来源：Hammond Manufacturing）

1557 系列具有 UL94-5VA 可燃性等级，并通过采用两件式榫槽结构以及通过 UL 认证的耐高温硅橡胶垫片（型号为 1557BGASKET），来达到防尘、防油和防水的效果（图 4）。


图 4：1557BGASKET 由通过 UL 认证的硅橡胶制成，有助于 1557 外壳达到 IP-68 要求。（图片来源：Hammond Manufacturing）

然后，用 M4 不锈钢机械螺丝（型号为 SC576-50）固定盖子（图 5）。它们被旋入耐腐蚀的衬套中，允许重复拆装（例如在设计的原型阶段）。


图 5：SC576-50 型 M4 机械螺丝牢固地旋入耐腐蚀的衬套中，可允许重复拆装。（图片来源：Hammond Manufacturing）

1557 系列具有宽尺寸范围，可满足各种应用需求，并附带多种安装选件（包括印制电路板），因此安装灵活。尺寸基于四种基本平面尺寸，并分别具有两种高度。尺寸包括：

· 80 x 80 mm 平面图，高度为 45 mm 或 60 mm
· 120 x 120 mm、160 x 160 mm 和 200 x 200 mm 平面图，高度为 45 mm 或 70 mm

安装选件如下所示（同样参见图 3）：

· 重型墙壁法兰安装（安装支脚向外）
· 齐平壁装（将安装支脚作为锁孔插槽）
· 台式/桌面式安装（包括橡胶支脚）

每个选项都有明确的侧重点。重型壁装型号带有一组两个或四个壁装凸耳，可以用螺钉牢固地安装于外壳的背面。凸耳从外壳的边缘突出，以便用户使用他们选择的五金件将外壳牢固地安装到墙上。对于安全性至关重要且永久安装的应用来说，这就是理想的选择。

齐平壁装型号具有相同的壁装凸耳，不同的是它们可以翻过来并将外壳背面安装到空腔中。在此配置中，凸耳充当锁孔槽，可实现更优雅的嵌装外观。对于将外壳临时固定在墙上的应用，此配置也是理想的选择。

每个外壳均包含四个用于台式/桌面式安装的粘性橡胶支脚。在这种模式下，不再使用壁装凸耳，而是在每个角上安装橡胶支脚。每个角都有一个与橡胶支脚大小匹配的凹陷区域，以确保正确安装，保持较低的高度并确保支脚稳固就位。如有必要，可以订购更多的橡胶支脚（型号为 1421T6CL）。

外壳附带的配件包括液密性电线夹/电缆密封套和立杆安装套件。

结语

设计人员将大量开发工作集中在电子设备的设计上，以至于他们可能低估了为户外应用选择合适外壳的重要性。如果没有适当的防护，湿度、极端温度、灰尘、油污和其他污染物组合在一起，可能会损害设计的电气和结构完整性。

不过，设计这种外壳非常困难。设计人员可以选择满足 IP-68 要求的现成外壳，迅速将设计推向市场，以应对长期户外使用面临的挑战。


来源：Digi-Key
作者：Patrick Mannion