当前，许多电源类产品开始使应用在工业领域环境中，然而工业领域环境复杂，每种因素都对电源产品的性能和可靠性有较大影响。本文通过对工业领域典型应用环境因素进行筛选和梳理，详细阐述了各种典型环境因素对电源产品的主要影响机理。
工业环境场合类别繁多，且诱发环境复杂，每种因素都对电源产品的性能和可靠性有较大影响，如何减少甚至规避掉这些环境因素的影响，对于客户设备的稳定、可靠运行有着重要意义。本文列举了工业领域对电源产品的主要应用环境因素，并讨论相关环境因素对产品的主要影响机理，可以为该类产品的耐环境设计和可靠性设计提供必要的参考信息。
|
重工业
|
采掘（伐）工业
|
如石油开采、煤炭开采、开矿、木材采伐
|
|
原材料工业
|
金属冶炼、石油煤炭加工等工业
|
|
加工工业
|
金属结构加工、水泥制品、农业化肥农药等工业
|
|
轻工业
|
农产品为原料的工业
|
食品制造、饮料制造等
|
|
非农产品为原料的工业
|
日用化学制品、玻璃制品、金属制品；手工工具制造、医疗器械制造、文化和办公用机械制造等工业。
|
|
化学工业
|
生产过程中，化学方法占主要地位的过程工业
|
塑料、合成纤维、石油、橡胶、药剂、染料工业等
|
|
能源工业
|
煤炭
|
开采生产和加工
|
|
石油和天然气
|
开采生产和加工
|
|
电力
|
传统能源和新能源
|
|
钢铁工业
|
农产品为原料的工业
|
开采、冶炼、加工等
|
|
机械工业
|
机械制造
|
如工业、农业、运输业设备制造等
|
|
高新工业
|
电子信息、生物工程、新材料、航空、海洋等技术
|
电源产品通常应用的工业领域主要有电力（包括新能源）、石化、钢铁、采矿等方面，未来还可能会应用到海上、车载等应用场合，下面具体介绍这些工业领域可能遇到的典型应用环境因素。
本文中提到的电源产品工业领域环境应用仅限于简易气候防护场所，即无温度控制也无湿度控制的场所（注1），这些场所不受太阳、风、雨等气候因素的直接侵袭，但是会受其间接影响。除此之外，这些环境下还会直接受到工业污染的影响。因此，工业领域环境中的电源产品在寿命周期内面临的主要环境因素可分为以下几类：
注1：有连续温度控制的应用场所，一般是封闭场所，这些场所应用环境良好，基本不受外界气候和污染物的影响，因此本文暂不考虑。
高温条件会使电子元器件的失效率增大、寿命降低；低温条件会使材料的物理特性发生变化，例如电池的电解液冻结、容量下降。由于工业产品的应用地域比较广，昼夜温差较大，温度范围较宽，而温度变化会使电子器件的参数发生漂移导致设备不能正常工作，热胀冷缩出现机械结构不灵活或者卡死现象。所以电源产品设计时需要充分考虑到器件参数的温漂特性，器件选型时也要充分考虑到温度范围。
|
环境因素
|
环境条件
|
影响机理
|
|
高温
|
北非、中东、印度等地区 49 ℃，地表温度＞70 ℃
|
热老化（包括氧化、结构变换和化学反应）、物理膨胀、软化、绝缘降低等
|
|
低温
|
高纬度或高海拔地区：－46 ℃
|
物理收缩、脆化、开裂、粘度增加、产生机械应力
|
|
温度变化
|
温度变化：0.5 ℃/min
|
物理膨胀收缩、机械应力、凝结和软化、涂层脱落开裂、间歇性失效
|
在我国南方的夏季和全球的热带雨林地区，高的相对湿度同时伴随高温的湿热情况是经常出现的。在这种环境中，水汽可能会通过渗透作用进入密封绝缘器件的内部，最终导致其失效。
|
环境因素
|
失效模式
|
影响机理
|
|
湿度
|
绝性能降低、潮解
|
水汽吸附、吸收、扩散导致PCB表面和体积绝缘电阻下降
|
|
腐蚀
|
不同电位金属连接，发生电化学腐蚀
|
|
离子迁移
|
ECM和CAF
|
昼夜温差大的地区、温度变化快或雨雾多的山区容易出现凝露现象。对有空腔体的密封或半密封元器件，水汽进入内部在温度变化时更容易产生凝露。对于一些间歇性工作的产品，如果晚上关机处于冷态，早晨开机时可能由于环境温湿度较高也会产生凝露现象。凝露的本质是物体的表面温度低于当前空气的露点温度。凝露对产品的主要影响有电气短路、绝缘强度下降、电化学腐蚀（由于凝露有富氧特征，所以凝露将比高湿环境更容易加速腐蚀）。
气压与海拔高度有密切的关系。通常在进行热设计时主要考虑的是标准大气压下的情况，但是在高海拔的地区由于空气密度降低，产品散热性能将显著下降。因此在热设计时系统要留有足够的裕量，发热器件要有更大的降额。随着气压的降低，产品的电晕电压会减小，外绝缘强度降低。一般情况下，电子产品在海拔0～5 000 m范围内，气压降低12 ％（相当于海拔升高1 000 m），其电晕电压和外绝缘强度降低8～13 ％。
|
气压（KPa）
|
对应高度（m）
|
影响机理
|
|
1
|
31 200
|
空气密度降低
散热性能降低
密封性能降低
绝缘性能降低
机械部件润滑失效磨损增加
|
|
2
|
26 600
|
|
4
|
22 100
|
|
8
|
17 600
|
|
15
|
13 600
|
|
25
|
10 400
|
|
40
|
7 200
|
|
55
|
4 850
|
|
70
|
3 000
|
|
84
|
＜1 000
|
沙尘标准定义尘为直径小于 150 um，沙是直径150～850 um的固体颗粒物，沙尘浓度最大6 g/m3。自然界中存在的沙尘主要成分一般有两种，红瓷土和石英粉（含97～99 %的SiO2）。灰尘样品的化学组成受各种不同来源的灰尘颗粒的影响。主要包括交通排放(特征元素为Zn、Sb、Pb、Cu)、工业污染(铁族元素组合Fe、Mn、Cr、Ti是典型的钢铁企业污染元素)、建筑材料及废弃物。沙尘的颗粒性质不同，对产品的影响也有所差别（详见表6）。沙尘按照其成分对产品可靠性影响又可以分为非吸湿性导电尘、吸湿性导电尘和导电粉尘。
非吸湿性导电尘：非吸湿性导电尘对电源产品的影响就主要体现在表面磨蚀、堵塞散热两方面，这两类影响大多不会直接导致产品失效，特别是在电源产品大多有过热保护装置的技术下，因此当产品表现异常时，只要适当清理一下产品灰尘，大多可恢复运行。
吸湿性导电尘：颗粒直径≤2.5 μm的粉尘被称为“细尘”，颗粒直径＞2.5 μm的粉尘被称为“粗尘”。细尘的主要成分：在户外环境中，水溶性盐占细尘重量百分比多达50 %；在室内环境中，虽然细尘总量比户外环境低，但水溶性盐占细尘重量百分比远大于50 %。随着时间的累积，这类吸湿性导电尘会沉积在设备PCBA表面，其中的水溶性盐会大大降低产品绝缘特性，腐蚀产品器件，特别是产品进风口处的PCB走线、过孔、器件焊盘、表贴电阻等，轻则产品直接保护关机，重则功率管异常开通引起炸机或者直接拉弧，尤其是在相对湿度高于40 %的环境中。
由于工业环境涉及的领域繁多，能源、电力、钢铁、交通运输（隧道、铁路、船舶）中既会不可避免地会遇到大量吸湿性导电尘的场合，又因为工业行业的环境比较恶劣，相对湿度常常达到40 %RH以上，高则90 %RH以上，故这类吸湿性导电尘的腐蚀效应和漏电流效应就会出现，从而大大降低电源产品的可靠性。
出现腐蚀效应的实质为金属迁移，这样的腐蚀一旦发生，PCB走线、过孔、贴片电阻、插装器件引脚、焊盘等都会难逃此劫，随着产品运行时间越长，腐蚀程度越深，直至产品最终失效。其次，这类吸湿性导电尘的漏电流效应也不容忽视，在此效应的影响下，回路中的电阻阻值会随着相对湿度的增加呈现减小的趋势，当湿度增到到一定程度，电阻接近短路，见图1，不但影响电气绝缘性能，也影响产品电路的逻辑功能，大部分电源产品会出现误动作等失效现象。
导电粉尘：在工业环境运用中，导电粉尘不可忽视，它存在于大量工业领域环境中。导电粉尘主要包括金属及某些金属氧化物，主要来源于金属加工行业和金属的冶炼行业；导电纤维，包含金属导电纤维、碳纤维和化学镀层导电纤维，主要来源于电磁屏蔽、防静电和接地场合；以及炭粉导电尘，是有机物（天然气、重油、燃料油、煤炭等）在空气不足的条件下经不完全燃烧或烃类受热分解而得的产物碳黑（如干电池用到的炭黑、如汽车尾气中含有自由碳）。其对电源产品的主要影响为绝缘电阻降低，引起打火、拉弧；形成短路通路，引起器件烧毁，炸机。
|
颗粒性质
|
|
|
举例
|
|
磁性
|
铁粉、铁氧粉
|
加速聚集、导通短路、引起磁性器件参数变化造成设备故障
|
如马达、风扇停转、变压器参数变化、短路拉弧炸机
|
|
热传导
|
灰尘
|
引起制冷或散热设备过热，进而引起产品故障
|
如散热器聚集灰尘影响散热
|
|
电传导
|
金属粉尘、石墨粉、煤灰
|
短路、漏电流、阻抗增大
|
金属粉尘；灰尘吸湿；触电阻抗增大
|
|
粘着性
|
煤焦油
|
增大绝热性、高压放电
|
如地铁隧道油污、煤焦油等
|
|
化学性
|
吸湿性导电尘
|
吸湿后造成电化学腐蚀
|
PCBA器件、走线腐蚀
|
|
磨损性
|
灰尘
|
移动部件机械磨损
|
风机磨损
|
|
环境因素
|
环境条件
|
影响机理
|
|
吹尘(＜150 um)
|
扬沙天气，风速：1.5～8.9 m/s
|
表面磨蚀
开口或过滤装置阻塞
静电荷积累放电
|
|
吹沙(150～850 um)
|
沙尘暴天气，风速：18～29 m/s
|
|
降尘(≤105 um)
|
地区
|
每天沉积(g/m2)
|
加速系数
(with 6 g/m2/day)
|
散热不良引起过热或着火
|
|
乡村郊区
|
0.01 ~0.36
|
600 ~ 17
|
|
市区
|
0.36 ~1.00
|
17 ~ 6
|
|
工业区
|
1.00 ~ 2.00
|
6~3
|
|
环境因素
|
主要成分
|
环境条件
|
影响机理
|
|
细尘
（≤2.5 μm）
|
Na盐、Ka盐、NH3盐、Cl盐（AgCl除外）、HNO3盐、H2SO4盐（MgSO4、Ca SO4微溶；BaSO4不溶）、碳酸氢根HCO3-盐、硫HSO4-盐
|
相对湿度＞40 %
|
形成漏电流，造成电路发生“参数漂移”，尤其对采样电路中的高阻有影响
降低产品的相对漏电起痕指数（CTI），导致高压部位拉弧放电
加速对材料、器件、PCB等的腐蚀
|
|
粗尘
(＞2.5μm)
|
图1 电阻沉积吸湿性导电尘后阻值在湿度条件下的阻值变化
盐雾是指大气中由含盐微小液滴所构成的弥散系统。海洋运输、海岛或近海使用环境下，在空气中有盐雾的存在，盐雾中的主要成分为NaCl，而NaCl的溶液中是以Na+和Cl－的形态存在的。而在内陆盐场、盐碱地等使用场合，其环境中含盐大气的组成近似等同于天然海水的构成成分。盐雾腐对电源产品长期使用的可靠性会产生非常大的影响。产品的结构设计和加工工艺要考虑必要的防护措施。
|
环境因素
|
环境条件
|
影响机理
|
|
盐雾颗粒
|
一般在2 um以下
|
沉降电路板上可能造成短路失效
金属部件受到腐蚀
|
|
盐雾浓度
|
海洋上空5.00 mg/m3
|
|
日沉降量
|
海岛和沿海地区8～90 mg/(m2*day)
|
工业领域环境中常有腐蚀性气体的出现，腐蚀性气体的来源包括炼焦厂、水泥厂、火力发电厂和化工厂等耗能企业燃烧排放的污染物，各生产过程中的排气(如炼焦厂向大气排放H2S、酚、苯、烃类等有毒物质；各类化工厂向大气排放具有刺激性、腐蚀性、异味性或恶臭的有机和无机气体。)以及生产过程中排放的金属粉尘和各种矿物。而腐蚀性气体主要成分可能会有 Cl2 、H2S、NO2、SO2等，它们对产品的影响主要是与湿度、温度等因素综合发生作用，可导致金属腐蚀、塑料橡胶老化变形等。
|
污染物种类
|
来源
|
影响
|
|
相对湿度
|
>50 %就会加速腐蚀;
>80 %造成损害(即使很小的气体浓度)
|
使污染物产生的腐蚀作用成指数方式增长
|
|
无机氯化物
（如Cl2)
|
主要产生于海水、漂白清洗行业、冷却塔蒸汽等
|
引起铜、锡、银和铁及铁合金 等腐蚀
|
|
活性硫化物
（如H2S）
|
主要产生于地表火山、垃圾焚烧、石化行业、造纸行业、含硫加工厂
|
引起铜、铝、银和铁及铁合金腐蚀（不需要湿度）
|
|
氧化硫
（SOx）
|
主要产生于含硫物质燃烧，化工行业
|
低浓度能使金属造成钝化起到保护，高浓度的能造成石浆、金属、橡胶、塑料腐蚀
|
|
氮氧化合物（NxOx）
|
主要来源于矿物燃料燃烧
|
Cl，S元素腐蚀金属时起催化作用，主要影响铜和铜的合金
|
|
氨水及其衍生物（NH3）
|
主要来源于化肥厂、化工厂、农业肥料和植物中
|
铜和铜合金极易被腐蚀
|
|
强氧化剂 （O3)
|
主要来源于大气，空间辐射等
|
Cl，S元素腐蚀金属时起催化作用主要影响为铜和铜的合金、橡胶和塑料
|
工业领域的电源产品长期处于潮湿环境，有机材料容易受到霉菌滋生的危害。影响机理是影响外观，如果绝缘材料（如电线的绝缘层）成为其生长基质，甚至影响到产品的电气安全性能。因此选择材料时要考虑相关的影响。太长需要考虑温湿度的控制，选择相关憎水性有机材料。
其次是动物对于电源产品的影响，在工业环境中应用时，系统外部的颜色应避免对野生动物有刺激性的色系，防止来自野生动物对设备的破坏。设备的如散热开孔设计，需要考虑防止蛇、鼠、蟑螂等小动物的进入。
针对工业领域的应用场合，可以进行风道设计、单板布局、控制湿度和涂覆防护漆等方式来进行防护。由于工业环境的高度复杂性，单一的环境防护设计已经远远不能满足设备长期可靠运行的要求，必须从整机结构设计、单板工艺设计以及电气设计的全方位综合考虑，综合治理。限于篇幅，本文仅对工业环境中可能遇到的单一环境因素对电源产品的影响作了概况，还有很多组合环境因素也会对系统产生重要影响。对于这种特殊的工业领域应用的产品，如何设计才能满足产品可靠的运行，还有待进一步更全面的研究分析。
参考文献
[1]汪学华.自然环境试验技术[M]. 北京：航空工业出版社.2003.11
[2]GB/T 20159.3-2011环境条件分类与环境试验之间的关系及转换指南有气候防护场所固定使用[S].
[3]GB/T 2423.37-2006 电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验L：沙尘试验[S].
