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电子产品的IEC IP标准与系统应用

-2019-08-05-

电子产品就像一个暴脾气的邻居:既不能经受潮湿的环境,在其工作范围内也不能有污染物(就像不能忍受小孩儿在花园里胡闹一样)。国际电工委员会(The International Electrotechnical Commission ,简称IEC),制定了一套防护等级制度(Ingress Protection,简称IP),用以定义电子器件的防潮和抗污染等级。本文讨论了电子器件为何需要一个清洁的工作环境,并讨论了污染物是如何进入电子系统的。本文还讨论了IP标准和相关事例。

为何电子器件需要无污染环境

进入电子器件外壳或封装的污染物会造成器件的损坏,他们可能导致器件寿命缩短,也可能导致器件的失灵。损坏的方式是多种多样的,例如,灰尘在插座、接口、电路板的缝隙处过多的积累,则会导致接触不良;灰尘也可能形成绝缘层,导致电路发热;如果灰尘和污垢进入了接触面之间,恶化的电导率会导致开关、继电器和连接器出现一系列的问题;在高压环境下,灰尘和污垢还会导致导线之间、导线与大地之间产生电弧。

潮湿,或者说水、湿气,是电子器件,尤其是精密电子器件的敌人。不论是雷雨还是毛毛细雨,都会使产品暴露在不良的环境中。仅仅用清水清洁电路设备都会导致一系列的问题,更不用说高压水流对设备造成的损坏了,自助洗车就是一个典型的例子,比如在洗车过程中用高压水流清理引擎盖底下的器件,则会导致器件的损害。更严重的是,潮湿的环境中凝结的水也会造成一系列的问题,当设备从低温环境移动到室温环境时,电路上会形成水气。如果此时电路通电,则可能造成短路。

烈性化学物质、表面活性剂或清洁液体(如高压喷雾清洁设备中使用的清洁液体)会对电子设备和电路产生腐蚀性破坏,铜、铝和银等化合物对此更为敏感。腐蚀效应削弱了材料固有的特性,导致电流承载能力下降。小尺寸的电子元件意味着小的导电面积和更低的抗腐蚀能力,因此小尺寸器件更为脆弱。

IEC IP 评级系统概览

不要与互联网中的IP协议混淆,IEC IP标准衡量的是入侵保护等级。随着消费类电子产品的便携化和对耐用性的要求,这个标准逐步变得流行。IP名称(或代码)由两位数字构成,如IP67,IP68和IP69K:

• IP代码的首位数字表示设备对固体的防护等级。

• 第二位数字表示电子元件和电路中置于液体中保存的良好程度。

• 如表1所示,固体、液体的防护等级随着级别的提高而增加。

表1:在IEC IP等级中,固体和液体保护等级随着等级的提高而增加。

IP评级结合了固体和液体评级:

IP67 - 防尘,防止水中短暂浸入

IP68 - 防水,防止水中持续浸泡

IP69K - 在高压/蒸汽清洁(除潜水)时,防尘,防水

“固体物体”包括从大于50mm的物体到灰尘微小斑点之间的所有物质。IP2_等级表示外壳防止儿童的手指或类似物体的伸入;任何小于手指的物体都可能会穿透外壳并造成伤害。IP等级IP6_表示设备防尘。

第二个数字表示外壳对液体的防护等级,范围为0到9K。评级为3表示设备可防雨,8级表明设备可长期浸水。IP名称为_9K表示设备具有高等级,表示可承受高压/蒸汽清洁。值得注意的是,_9K评级并不一定意味着机柜可以长期浸水(IP_8)。

IEC IP 评级的系统应用

对于开过盖的电子产品,不论是电脑或者汽车保险盒,灰尘都会进入。低IP等级的设备主要防止诸如手指等突出物体的进入,5-6等级的设备主要防止灰尘入侵。评级为5的设备表明灰尘不会干扰设备的运行,评级为6的设备可以创造无尘环境。台式计算机为了平衡成本、散热和电路保护要求,需要达到5级。灵敏传感器和电路经常需要进行封装或者使用“pot”型器件,以防止任何固体入侵,同时能达到IP6_标准。

液体可以以多种方式入侵外壳。重力提供垂直冲击所需的动力,通常指雨淋和水滴。室外使用的设备的防水标准通常可以防止此类入侵。带防护的插座、安保摄像机、室外灯都是典型的例子。雨水和水滴由于水溅或喷洒可具有动力。比如自然界中的风,或者人类活动中机床喷洒的冷却剂都具有这种动力。当液体被推入喷射嘴时,会产生喷射流。在日常生活或者工业环境中,常常会用到喷射嘴。

液体IP评级可以使用汽车的外壳作为例子加以说明。外壳可以保护汽车在暴风雨中不进水(IP_3)。如果起风了,或者汽车驶入一个水坑溅起了水(驾驶员别开着车窗),这时需要达到IP_4防护。当车主在车道上用水管洗车时,需要达到IP_5防护。去一个洗车店则需要达到IP_6防护等级,才能使车内保持干燥,并且保护汽车的电气系统不受损坏。

浸入式是入侵防护产品评级和资质的焦点。个人电子产品中,首先提供此类防护的是腕表,然后是相机,能够达标的设备是手机。在这个领驭中,“防水”通常有诸多解释方式,但IP67和IP68则能提供更为好的定义。浸入防护则通常应用于诸如水流中的传感器,部分时间或全部时间工作于水下的通讯、感知、导航系统中的电子器件。由于它们的工作环境中有水压的因素,它们通常需要更为精良的设计,比如加强的密封系统,以大限度地保证设备的使用寿命。

工业环境中经常使用高温、高压冲洗。通常,此类操作的目的是消除食品设备或制药设备上的细菌和污染物。在设备运输或者日常维护时,通常会涉及到深度清洁。不要忘记前面提到过的使用高温高压去清洗引擎零件的暴力邻居(希望他别再变得更暴力了)。在工业环境中(比如食品加工、药品加工、石油化工、垃圾回收、灌装、运输),您常常会见到达到IP69K等级的设备。