坚固可靠的机柜设计可保护电子设备

随着人们越来越依赖需要自主运行的电子设备，现代的军用和工业耐用机柜不仅仅是专为容纳电子设备而设计的盒子。它们现在充当支持平台，确保电子设备能够在偏远和恶劣的环境中按需运行。

而且，随着越来越多的嵌入式系统和电子设备被用于铁路、自动化、空中、陆地和海上车辆，并且位于户外偏远地区，敏感电子设备必须在坚固的外壳中得到保护。有效的坚固机柜设计需要考虑的机械性能包括结构完整性、EMI 保护和热管理，以提高系统可靠性。（图 1)

坚固外壳设计的驱动力

重新定义了对恶劣环境下外壳性能的期望的四个主要方面包括：

• 边缘计算和移动性
• SWaP 和高密度电子设备
• 远程或无人值守操作
• 灵活/自定义部署

边缘计算和移动性。由于电子设备不再仅存放在安全稳定的环境中，例如数据中心和服务器机房，外壳必须保护在现场运行的电子设备。基于边缘的计算环境对耐用性给予了新的重视，系统需要承受持续和可变的环境和机械压力，例如冲击、振动、温度和污染物。

SWaP 和高密度电子设备。当今紧凑型嵌入式系统中蕴含的计算能力为组件带来了前所未有的应力和热管理水平。例如，这种密集的环境意味着即使是轻微的振动也可能导致微动或连接器问题。

‍远程或无人值守的操作。 自动化和无人系统正迅速成为许多军事和工业应用的常态。系统可靠性至关重要，要求严格遵守行业标准、内置冗余和强大的硬件，以确保在出现错误或故障时系统保持运行直至可以维护。 （图 2）

灵活/自定义部署。长期以来，根据特定用途调整COTS外壳一直是嵌入式系统开发的支柱。这个概念的新之处是越来越依赖基于COTS的系统，因为 开放标准基于计算的作用越来越突出，尤其是在国防应用中。机柜尺寸、安装或布局的灵活性和适应性与其基线强度同等重要。有人可能会争辩说，它已成为现代部署中的战略优势。

标准如何影响坚固的机柜设计

一些军事和工业标准构成了适用于恶劣环境的坚固机柜设计的基础。以下列表概述了确保现代外壳设计可靠性和性能的几种更常用的方法。

• MIL-STD-810（环境）：MIL-STD-810 被视为 “全天候、全地形” 的基准标准，可确保机柜（及其电子设备）能够承受其在使用中可能遇到的最恶劣的极端环境：温度、湿度、湿度、湿度和灰尘进入、振动等。

• MIL-S-901D（冲击）：符合 MIL-S-901D 标准的机柜（通常称为 A 级冲击，主要用于船上应用）已证明它们可以承受极端冲击和突然冲击，确保已安装 装备可以生存 没有结构故障。 （图 3）

• MIL-STD-167-1A（振动）：同样主要用于船载应用，MIL-STD-167-1A 通过在各种频率下摇动外壳来确保长期的振动耐久性。 合规机柜 通常采用加固结构或隔振底座，以吸收持续的振动，并采用适当的重量分布和支撑，以减少部件和接头的过度应力。

• MIL-STD-461*（EMI/EMC）：该军用标准既限制了设备或外壳可能发出的噪音，又确定了其对外部干扰的抵抗力。导电性好、粘合良好的外壳（充当法拉第笼子）将提供适当的接地，任何开口（通风孔、电缆端口）都必须使用 EMI 滤波器或屏蔽连接器进行处理，以保持屏蔽效果。

• Telcordia GR-63-CORE（四区抗震）：符合 GR-63-CORE（需要承受最坏地震振动的机柜的常用基准）的机柜通常采用坚固的锚固装置，通常采用外部支撑或缓冲器，以防止翻倒或其他地震造成的损坏。

‍*EMI 屏蔽和用于冷却的系统气流之间的复杂关系需要这样的设计，即有助于降低 EMI 的附加组件（滤波器、垫圈、密封件等）不会妨碍其主要功能，但允许大型系统所需的冷却和连接。

铝结构：优于钢结构

一项重大的行业创新是向轻质、耐腐蚀的铝挤压框架结构的转变。铝的强度重量比约为钢的两倍，热传导性能高出四倍，在恶劣的环境中具有战略优势，尤其是在移动和航空应用中。

挤压铝框架机柜在组装或运输过程中几乎不需要焊接，因此可以运送到狭窄的空间并在狭窄的空间内组装。在潜艇舱口或狭窄的门口安装一体式焊接框架可能不可行。

例如，Optima Stantron 的模块化设计 坚固的机柜 使用水平和垂直铝挤压系统，将钢角嵌件用螺栓固定在一起形成刚性框架，将两种金属的最佳特性结合在一起。由于基本的挤压组件每次无需定制工具即可重新配置为不同尺寸或样式的机柜，因此这些模块化、坚固的机柜可缩短交货时间并降低非经常性工程成本。 （图 4）

外壳设计中的热管理选项

在开发适用于恶劣和偏远环境的坚固系统时，请务必记住，需要管理热量的不仅仅是主板和电源。从风扇、过滤器和冷却器到隔热材料和传感器，完整的散热曲线都有助于使这些电路板长期保持最佳运行，因为热量肯定会导致行为不稳定或过早失效。

尽管被动冷却可能是最简单的冷却方法，但在当今恶劣的环境中，高度集成且密集的机柜可能需要更细致入微的方法。被动冷却会加速通过风扇和鼓风机循环的空气，但是如果外壳本身周围的空气又热又潮湿，则可能需要通过密封的空调或热交换器单元进行闭环冷却。

随着电子密度的增加，已经实施了更多创新的冷却方法，包括传导，即使用机柜本身将热量从系统中抽出，甚至使用液体冷却来实现极高的功率密度。
模拟系统的气流和温度分布将有助于确定热分布和最佳冷却方法，并使工程能够考虑系统可能承受的极端环境。这有助于降低故障风险，因为过热确实是电子可靠性的敌人。

结论：坚固的机柜需要仔细的设计考量

通过仔细选择、配置和测试坚固的机柜，并遵守行业标准对性能进行基准，工程师和项目经理可以降低风险、提高可靠性并延长关键系统的生命周期。

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