電子設(shè)備協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)＊

王連坡 李由朝

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007）

1 引言

20世紀(jì)中葉以來，無線電電子技術(shù)得到迅速發(fā)展，電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始引起世界各工業(yè)國的關(guān)注。隨著電子技術(shù)使用范圍的推廣，設(shè)備的功能、體積、重量、可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性等諸多問題被納入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范疇，使電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸形成一門多學(xué)科的綜合技術(shù)。20世紀(jì)中后期，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，電子設(shè)備開始向小型、超小型等方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法逐步被機(jī)電結(jié)合、光電結(jié)合等新技術(shù)所取代。目前，電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：整機(jī)組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算與動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)、電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)和執(zhí)行裝置設(shè)計(jì)、防腐蝕設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)、人機(jī)工程應(yīng)用、可靠性試驗(yàn)等。

工業(yè)級(jí)和軍用級(jí)別的電子設(shè)備，由于其使用環(huán)境特殊、可靠性要求高等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須全面考慮設(shè)備的需求。雖然各個(gè)電子設(shè)備的要求不盡相同，但對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講，以下幾個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容都是必修要考慮的：熱設(shè)計(jì)、抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)等，上述部分設(shè)計(jì)技術(shù)相互之間會(huì)存在矛盾，如設(shè)備為了散熱需要開制通風(fēng)孔洞，而這些通風(fēng)孔洞恰恰就是電磁泄露的主要途徑，而電子設(shè)備是同一個(gè)物理體，如何將這些設(shè)計(jì)技術(shù)合理的應(yīng)用在同一設(shè)備中是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的一個(gè)新的課題，本文重點(diǎn)是以熱設(shè)計(jì)和電磁兼容性設(shè)計(jì)這一對(duì)矛盾體的協(xié)同設(shè)計(jì)為例，并簡(jiǎn)單的闡述電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的其他協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)［1］。

2 電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱EMC）一般指電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè)備都能正常工作又互不干擾，達(dá)到“兼容”狀態(tài)。換句話說，電磁兼容是指電子線路、設(shè)備、系統(tǒng)相互不影響，從電磁角度具有相容性的狀態(tài)。相容性包括設(shè)備內(nèi)電路模塊之間的相容性、設(shè)備之間的相容性和系統(tǒng)之間的相容性。

2.1 電磁干擾的三要素

所有的電磁干擾都是由三個(gè)基本要素組合而產(chǎn)生的，它們是：電磁干擾源；對(duì)該干擾能量敏感的設(shè)備；將電磁干擾源傳輸?shù)矫舾性O(shè)備的媒介，即傳輸通道或耦合途徑。相應(yīng)地對(duì)抑制所有電磁干擾的方法也應(yīng)由這三要素著手解決。

1）電磁干擾源：指產(chǎn)生電磁干擾的任何元件、器件、設(shè)備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。

2）耦合途經(jīng)（或稱傳輸通道）：指將電磁干擾能量傳輸?shù)绞芨蓴_設(shè)備的通道或媒介。

3）敏感設(shè)備：指受到電磁干擾影響，或者說對(duì)電磁干擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備。

2.2 電磁屏蔽

屏蔽、濾波、接地是電磁兼容設(shè)計(jì)中最常用的技術(shù)，而在設(shè)備的功能、內(nèi)部元器件的布局一定的情況下，屏蔽設(shè)計(jì)就顯得尤為重要了。

屏蔽就是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽的目的有兩個(gè)，其一是限制內(nèi)部輻射區(qū)域電磁能量的泄漏；其二是防止外部的輻射進(jìn)入自身區(qū)域。屏蔽效能主要取決于屏蔽體的材料及結(jié)構(gòu)形式，屏蔽體對(duì)輻射干擾的抑制能力用屏蔽效能SE（Shielding Effectiveness）來度量。屏蔽效能是無屏蔽體時(shí)空間某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E0（或磁場(chǎng)強(qiáng)度H0）與有屏蔽體時(shí)該點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度E1（或磁場(chǎng)強(qiáng)度H1）的比值，它表征了屏蔽體對(duì)電磁波的衰減程度。

電磁屏蔽是把屏蔽體看成是一個(gè)結(jié)構(gòu)上完整、電氣上連續(xù)均勻的金屬板或全封閉殼體。當(dāng)電磁波入射到屏蔽體時(shí)，電磁波將會(huì)以三種能量形式進(jìn)行損耗。屏蔽體的屏蔽效能可用下式表示［2］：

式中，AdB為吸收損耗（dB）；RdB反射損耗（dB）；BdB為多次反射修正因子（dB）。

t為屏蔽體厚度（mm）；f為電磁波的頻率（Hz）；ur為屏蔽體的相對(duì)磁導(dǎo)率（H／m）；σr為屏蔽體的相對(duì)電導(dǎo)率（S／m）。

上式（2）表明，吸收損耗AdB正比于屏蔽體的厚度，并隨著頻率、相對(duì)磁導(dǎo)率ur、相對(duì)電導(dǎo)率σr的提高而增加。常用金屬材料的相對(duì)電導(dǎo)率σr和相對(duì)磁導(dǎo)率ur見表1［2］。

表1 常用金屬材料對(duì)銅的相對(duì)電導(dǎo)率σr和相對(duì)磁導(dǎo)率ur

2.3 濾波技術(shù)

濾波技術(shù)是抑制電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo)干擾的主要手段之一，也是提高電子設(shè)備抗傳導(dǎo)干擾能力的重要措施。電磁干擾濾波器可以顯著地減小傳導(dǎo)干擾電平，利用阻抗失配原理，使電磁干擾信號(hào)受到衰減。

3 熱設(shè)計(jì)技術(shù)

熱量從高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)通常有以下三種形式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。

3.1 熱傳導(dǎo)

氣體導(dǎo)熱是分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，固體導(dǎo)熱靠自由電子的運(yùn)動(dòng)完成，對(duì)于液體主要是由于彈性波的作用。熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律，其計(jì)算公式［3］為

3.2 對(duì)流

對(duì)流是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞過程。對(duì)流換熱可用牛頓冷卻公式計(jì)算：

式中：φ為熱流量，W；hc為對(duì)流換熱系數(shù)，W／（m·℃）；A為對(duì)流換熱面積，m2；tw為熱表面溫度，℃；tf為冷卻流體溫度，℃。

3.3 熱輻射

物體以電磁波形式傳遞能量的過程稱為熱輻射。熱輻射是輻射能和熱能的相互轉(zhuǎn)換過程，物體的輻射可用斯蒂芬－波爾茲曼定律表示：

式中：φ為熱流量，W；ε為物體黑度；A為輻射表面積，m2；σ0為斯蒂芬 －波爾茲曼常數(shù)（5.67×010－8W／（m2·K4））；T為物體表面的熱力學(xué)溫度，K。

3.4 強(qiáng)迫空氣冷卻

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱是利用風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)或抽風(fēng)，以提高設(shè)備內(nèi)部空氣流動(dòng)速度來達(dá)到散熱目的的一種散熱方式。其散熱形式為對(duì)流散熱，所依賴介質(zhì)為空氣。強(qiáng)迫風(fēng)冷傳熱的體積功率可達(dá)0.429W／cm3，是自然冷卻散熱效率的30至40倍。強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱效果與風(fēng)機(jī)類型、換熱表面與冷風(fēng)之間的換熱系數(shù)等有關(guān)，而結(jié)構(gòu)因素對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷的效果主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)［4］：

1）通風(fēng)機(jī)的位置：抽風(fēng)機(jī)一般都裝在機(jī)柜頂部或上側(cè)面，而鼓風(fēng)機(jī)一般則安裝在設(shè)備的底部或前側(cè)面。

2）風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式：具有平行風(fēng)道的冷卻系統(tǒng)，要求氣流進(jìn)入機(jī)箱后，形成高的靜壓和低的動(dòng)壓，以便提高冷卻效果、降低出口和彎曲處的壓力損失。為防止氣流回流，進(jìn)口風(fēng)道截面積應(yīng)大于各分支風(fēng)道截面積總和，采用錐形風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式，可以使風(fēng)道中任意一點(diǎn)的截面積大于支風(fēng)道的截面積，其示意圖如圖1所示。

3）元件的排列：為了提高冷卻效果，在冷卻氣流流速不大的情況下，元件應(yīng)按交錯(cuò)方式排列，這樣可以提高氣流的紊流程度，增加散熱能力。

4）熱源位置：由發(fā)熱元件組成的發(fā)熱區(qū)的中心線，應(yīng)與入風(fēng)口的中心線相一致或略低于入風(fēng)口的中心線，這樣可以使電子機(jī)箱內(nèi)受熱而上升的熱空氣由冷卻空氣迅速補(bǔ)充，直接冷卻發(fā)熱元件。

5）漏風(fēng)的影響：機(jī)柜在強(qiáng)迫通風(fēng)時(shí)，機(jī)柜縫隙的漏風(fēng)將直接影響散熱效果。從試驗(yàn)效果來看，當(dāng)有縫隙存在時(shí)，抽風(fēng)形式的冷卻效果比鼓風(fēng)好，縫隙小的冷卻效果比縫隙大的冷卻效果好。

6）增加紊流器：設(shè)備內(nèi)部印制板的間距應(yīng)控制在13mm左右［4］，為防止氣流在印制板表面形成邊界層，影響換熱效果，應(yīng)在印制板組裝件氣流流動(dòng)方向的適當(dāng)位置，加裝紊流器，破壞邊界層的生成，提高紊流效果，改善對(duì)流換熱性能，其示意圖如圖2所示。

圖2 紊流器應(yīng)用示意圖

4 協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)

電子設(shè)備的共同特點(diǎn)就是設(shè)備在用電能提供動(dòng)力的同時(shí)，要散發(fā)出熱量，散發(fā)的熱量及其電磁兼容性并不是我們所希望得到的，它們的累積，將給設(shè)備的正常運(yùn)行帶來很大的影響。為了將這些余熱及時(shí)的排出，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中就不得不考慮到這些熱問題。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，散熱性能與電磁兼容是電子設(shè)備性能完全不同的兩個(gè)方面，但卻由同一個(gè)物理結(jié)構(gòu)確定。電子設(shè)備物理結(jié)構(gòu)的改動(dòng)可能既影響到散熱性能，又影響到電磁兼容性能這兩方面的設(shè)計(jì)綜合考慮，首先確定了以通風(fēng)散熱為代表的熱對(duì)流為設(shè)計(jì)的協(xié)同點(diǎn)，其次簡(jiǎn)要分析了熱傳導(dǎo)與電磁兼容的協(xié)同設(shè)計(jì)［12］。

4.1 熱對(duì)流與電磁屏蔽

為了被屏蔽對(duì)象（設(shè)備、單元電路和元器件等）的通風(fēng)散熱，必須在屏蔽體上開設(shè)通風(fēng)孔洞。電磁能量經(jīng)通風(fēng)孔洞泄露，是屏蔽體屏蔽下降的重要原因之一。

4.1.1 通風(fēng)孔位置的選擇

孔洞泄露與多種因素有關(guān)，如場(chǎng)源的特性、離開場(chǎng)源的距離、電磁場(chǎng)的頻率、孔洞面積和孔洞形狀等。對(duì)于一個(gè)固定的設(shè)備或單元，在內(nèi)部元器件已經(jīng)確定并且布局一定的前提下，正確選擇通風(fēng)孔洞的位置可以起到事半功倍的作用。通風(fēng)孔洞位置選取的原則如下：

設(shè)備的進(jìn)風(fēng)位置應(yīng)盡量選擇在設(shè)備的底部或下側(cè)面，出風(fēng)位置應(yīng)盡量選擇在設(shè)備的頂部或上側(cè)面，同時(shí)要兼顧內(nèi)部通風(fēng)風(fēng)道的布局，避免出現(xiàn)氣流回流或?qū)恿鳜F(xiàn)象。

設(shè)備的通風(fēng)孔應(yīng)盡量避開原理設(shè)備內(nèi)部大功率或高頻率的元器件。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，如圖3［4］所示，電場(chǎng)與磁場(chǎng)均隨離開場(chǎng)源的距離成反比的減小，所以在選擇通風(fēng)孔位置的時(shí)候，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離場(chǎng)源［11］。

圖3 高阻抗場(chǎng)的電磁場(chǎng)大小和距離的關(guān)系

4.1.2 通風(fēng)孔的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)平面波反射理論，當(dāng)均勻的平面波垂直入射到完整的屏蔽體（如圖4［5］（a）所示）上時(shí)，入射場(chǎng)感應(yīng)表面電流，該電流可以認(rèn)為產(chǎn)生了反射場(chǎng)。反射場(chǎng)的極性必須使它能夠抵消入射場(chǎng)以滿足邊界條件，即良導(dǎo)體的總的電場(chǎng)的切向分量必須為零。為了使屏蔽體達(dá)到這種抵消的目的，感應(yīng)電流必須無阻礙流動(dòng)。如果屏蔽體上的縫隙與感應(yīng)電流的方向垂直，那么就會(huì)打斷電流的流動(dòng)，減小屏蔽效能。縫隙的寬度對(duì)此影響不大，如圖4（b）和圖4（c）所示。另一方面，如圖4（d）所示，如果使縫隙的方向平行于感應(yīng)電流的方向，那么縫隙對(duì)屏蔽機(jī)會(huì)沒有影響。由于設(shè)備內(nèi)部場(chǎng)源一般都比較多，且排列較為復(fù)雜，無法準(zhǔn)確判斷感應(yīng)電流的方向，所以也就不能正確設(shè)置孔洞的方向，因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常采用大量的小孔來代替一個(gè)大孔，且圓孔的效果要優(yōu)于方孔，如圖4（e）［8］所示。

圖4 縫隙對(duì)屏蔽體上感應(yīng)電流的影響

4.1.3 通風(fēng)孔的電磁屏蔽形式

在電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了使屏蔽體既能達(dá)到預(yù)期的屏蔽效能，又能確保良好的通風(fēng)，通風(fēng)孔常采用以下措施：

1）覆蓋金屬絲網(wǎng)

將金屬絲網(wǎng)覆蓋在大面積的通風(fēng)孔洞上，能顯著地提高屏蔽效能。金屬絲網(wǎng)的屏蔽效能與網(wǎng)絲直徑、網(wǎng)孔的疏密程度及網(wǎng)材的電導(dǎo)率有關(guān)。金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但當(dāng)電磁場(chǎng)頻率高于100MHz后，屏蔽效能開始下降，因此，金屬絲網(wǎng)不適宜用于數(shù)百兆以上的高頻。

2）用穿孔金屬板做通風(fēng)孔

由實(shí)驗(yàn)可知，孔洞尺寸愈大，屏蔽效能愈差。為提高屏蔽效能，可在滿足屏蔽體通風(fēng)量要求的條件下，用穿孔金屬板代替大孔。穿孔金屬板有兩種結(jié)構(gòu)形式：1）直接在屏蔽體上表面打孔；2）單獨(dú)預(yù)制成穿孔金屬板，再安裝到屏蔽體的通風(fēng)孔洞上。相對(duì)于金屬絲網(wǎng)，穿孔金屬板可以采用厚度較大的金屬材料，得到較高的屏蔽效能。

3）截止波導(dǎo)式通風(fēng)窗

金屬絲網(wǎng)的屏蔽性能在頻率高于100MHz后開始下降，穿孔金屬板在甚高頻時(shí)屏蔽效能同樣要下降。在屏蔽要求較高時(shí)可以采用截止波導(dǎo)式通風(fēng)窗。截止式波導(dǎo)通風(fēng)窗對(duì)于低頻磁場(chǎng)的屏蔽效能并不理想，100MHz以下的屏蔽一般不推薦使用。

4.2 熱傳導(dǎo)與電磁屏蔽

4.2.1 散熱器材料的選取

散熱器的目的就是降低芯片或設(shè)備的功率密度，即將發(fā)熱源的溫度傳導(dǎo)遞至具有較大表面積的散熱器上，再配合強(qiáng)迫風(fēng)冷或熱管將熱量傳遞出去。常用的散熱器材料為導(dǎo)熱性能優(yōu)良的金屬材料，如鋁、銅、鐵及其合金材料等。同時(shí)，這些金屬材料也具有良好的導(dǎo)電性能，由這些金屬材料組合的屏蔽體，對(duì)電磁波有很大的反射損耗，所以只適用于電屏蔽。電屏蔽體一般對(duì)各種頻率都具有良好的電屏蔽作用。鐵和高磁導(dǎo)率的合金體則對(duì)磁場(chǎng)波有很大的吸收損耗，所以用它們做成的屏蔽體，適合用在磁屏蔽環(huán)境。如果條件允許可用不銹鋼制造具有很高可靠性的電磁屏蔽殼體。常用金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)和相對(duì)導(dǎo)電系數(shù)見表2［5～6］所示。

4.2.2 散熱器的接地

在復(fù)雜的設(shè)備內(nèi)部，集成了非常多的有源器件，其中不乏高頻率的晶體模塊等，裸露的散熱器很容易產(chǎn)生電場(chǎng)或磁場(chǎng)耦合，若散熱器沒有良好的接地，很容易產(chǎn)生二次電弧放電現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備內(nèi)部造成損壞或毀壞。兼顧設(shè)備的電磁兼容性，散熱器接地處理時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1）散熱器盡量接地，且設(shè)備若無信號(hào)地和機(jī)殼地分離現(xiàn)象，則直接將散熱器與機(jī)殼地良好連接，否則就必須將散熱器與信號(hào)地連接；

2）若散熱器無法接地，則散熱器外形盡量平直，連接部位盡量平滑，避免出現(xiàn)銳角或尖端部位。同時(shí)，散熱器與散熱器之間的最小距離應(yīng)該大于10mm。

4.3 濾波器的安裝

濾波器的安裝對(duì)其性能影響非常大，綜合考慮散熱和濾波效果，在使用濾波器時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)［5］：

1）濾波器金屬殼與機(jī)箱殼必須保證良好面接觸，接觸面必須為導(dǎo)電面，這樣即可以保證電接觸的連續(xù)性，又必須涂覆（熱阻較大）層對(duì)熱傳導(dǎo)的影響；

2）濾波器輸入線、輸出線必須拉開距離，切忌并行，以免濾波器效能降低；

3）濾波器的連接線以選用雙絞線為佳，它可有效消除部分高頻干擾信號(hào)。

5 結(jié)語

在電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，熱設(shè)計(jì)與電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿整個(gè)過程，從設(shè)備外殼材料選取、內(nèi)部元器件布局、散熱形式的選擇、孔洞的處理等方面綜合考慮，統(tǒng)一模型。必要時(shí)運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件Flotherm、FloEMC［7］等輔助分析，盡量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)周期的早期就發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)沖突，從而減少花費(fèi)巨大的樣機(jī)測(cè)試次數(shù)。同時(shí)，在熱設(shè)計(jì)與抗沖擊振動(dòng)之間、電磁兼容設(shè)計(jì)與防腐蝕設(shè)計(jì)等也需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)一考慮。

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