惡劣環境下系統設備集成設計技術*

王連坡　顧海峰

(中國電子科技集團公司第二十八研究所　南京　210007)

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惡劣環境下系統設備集成設計技術*

王連坡顧海峰

(中國電子科技集團公司第二十八研究所南京210007)

介紹了惡劣環境下的一種系統設備集成設計方案，主要從散熱、電磁兼容性、抗振加固等方面進行了分析論證。

電磁兼容;散熱;振動加固;系統設備

Class NumberTP274

1　引言

在一些大型系統的建設中，往往涉及顯示、控制、數據處理、通信等分系統，每個分系統最終均依賴設備來實現，從而導致整個系統中需集成大量的硬件設備。由于系統功能的不斷提升，要求系統設備具有較高的性能指標，同時，為了縮短系統的研制周期、提高系統的費效比，系統內部往往會集成大量的技術成熟的商用設備。商用設備一般都是工作在室內等條件比較友好的環境中。若系統工作在比較惡劣的環境如戶外、沿海、島嶼等惡劣環境中，環境中的粉塵、鹽霧、水蒸氣等有害物質進入設備內部會大大降低設備性能，同時高溫、低溫、高濕等環境會大大加快設備的損壞過程。普通商用設備一般很難適應如此惡劣環境，從而導致系統性能下降或癱瘓。

為解決上述問題，目前通常的做法是將系統設備全部進行加固。系統設備全部加固往往會帶來以下問題：1)系統設備加固存在較大的技術風險，可能會導致設備加固失敗的結果； 2)系統設備加固會大大提高設備的研制費用，加固設備與普通設備的價格往往會相差幾倍甚至幾十倍； 3)系統設備加固會大大提高系統的研制周期； 4)某些系統設備先天不具備加固條件，強行加固可能會導致設備性能下降或損壞，從而影響整個系統的功能。另外，目前大部分系統設備集成方案仍舊是將設備按功能劃分，以設備之間線纜連接數量決定設備的安裝位置，往往是將顯示控制設備與數據處理設備安裝在同一個機柜或操控臺內，隨著系統性能不斷提高，系統對數據處理設備的運算能力的要求也越來越高，受散熱、電磁兼容等技術的制約，目前全加固的數據處理設備的性能往往不及商用設備，為了達到系統的性能要求，數據處理設備一般采用性能優良的商用設備。商用的數據處理設備與顯示控制設備統一安裝位置給系統設備加固帶來新的困難。

2　分布式設計

為解決系統性能與環境適應性之間的矛盾，可采用一種分布式設計理念，即將部分成熟的、環境適應性強的加固設備直接暴露在環境中，另外一些商用的、環境適應性較差的設備安裝在一個認為創建的微環境中，兩者可通過光纜或網線進行物理連接，分布式設計設備布局如圖1所示。微環境創建主要依賴與密閉式機柜，機柜可同時實現氣密和電磁密封功能，機柜側面安裝的空調可調節機柜溫度也同時防止了機柜內外空氣進行直接對流交換。

圖1　加固顯示器外形圖

3　關鍵技術

加固類設備已具備良好的環境適應性，本文重點討論為一些商用類設備提供微環境的設計技術。微環境的構建主要依賴密閉機柜來實現，密閉機柜通過抗振設計、熱設計、電磁兼容性設計等設計技術，為安裝在內部的設備提供一個友好的工作環境。

4　熱設計

4.1熱控制的理論基礎

熱量從高溫區傳遞到低溫區通常有以下三種形式：熱傳導、對流和輻射[1]。

4.1.1熱傳導

氣體導熱是分子不規則運動的結果，固體導熱靠自由電子的運動完成，對于液體主要是由于彈性波的作用。熱傳導遵循傅立葉定律，其計算公式[2]為

4.1.2對流

對流是指流體各部分之間發生相對位移時所引起的熱量傳遞過程。對流換熱可用牛頓冷卻公式計算：

φ=hcA(tw-tf)

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

4.1.3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換過程，物體的輻射可用斯蒂芬-波爾茲曼定律表示：

φ=εAσ0T4

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(5.67×10-8W/(m2·K4))；T為物體表面的熱力學溫度，K；φ為熱流量，W；ε為物體黑度；A為輻射表面積，m2。

4.2熱設計技術

密閉機柜內部集成了大量的數據處理類設備，設備發熱量較大，熱流密度最高可達20kW/m3，根據常用的熱控制措施，應采用強迫風冷級別散熱，根據美國軍用標準《MIL-STD-454》要求，“除非水分和污染物用適當的裝置除去，禁止用大氣中吸入的空氣直接氣冷，在封閉循環冷卻系統中可以用直接氣冷方法”[3]，由于環境條件比較惡劣，密閉機柜采用了空調冷卻，且空調冷空氣和熱空氣完全隔離，滿足不直接用大氣進行冷卻的要求。

5　電磁兼容性設計

5.1電磁兼容性理論分析

電磁兼容性是指器件、設備或系統在所處電磁環境中良好運行，并且不對其所在環境產生任何難以承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容涵蓋了電磁干擾和電磁敏感度。為實現系統內設備互不干擾、兼容運行，即要控制騷擾源的電磁發射，又要提高受騷擾對象的抗擾度。

電磁兼容性設計依據為系統內電磁環境及系統內設備的電磁敏感度。設系統內干擾源N的作用功率為Pin(n=1,2…)，而被干擾設備M能夠承受的電磁干擾的容限為Prm(m=1,2…)，則干擾功率Pamn可用下式[4]決定：

Pamn=Pin×Kimn×Kpmn×Ksmn

(1)

式中：Kimn為干擾源N對被干擾源設備M產生干擾作用的有效作用系數；Kpmn為干擾源N對被干擾源設備M產生干擾的耦合作用系數；Ksmn為被干擾源設備M對電磁干擾的敏感度。

當干擾功率Pamn大于受干擾設備的容限Prm時，就需要采取措施改善電磁兼容性。當Pamn>Prm時，可以采取措施減小干擾源作用功率Pin或減小干擾源對被干擾設備M的干擾的有效作用的成分(即減小Kimn)，也可以采取措施降低干擾源N對被干擾設備M產生干擾的耦合作用系數Kpmn，如減小耦合電容，減小耦合電感或切斷公共阻抗的耦合渠道；也可以采取措施降低被干擾設備M的電磁干擾敏感度Ksmn或提高被干擾設備的承受干擾的容限Prm。

5.2電磁兼容設計技術

密閉機柜電磁兼容性主要從合理布局、電磁屏蔽、濾波、接地[5]等方面進行了設計，具體如下。

5.2.1合理布局

合理布局包括系統內各單元之間的相對位置和電纜走線等，其基本原則是使感受器和干擾源盡可能遠離，輸出與輸入端口妥善分隔，高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設。通過合理布局能使相互干擾減小到最小程度而費用又不多。

5.2.2電磁屏蔽

屏蔽就是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸的一種措施。屏蔽體是用以阻止或減小電磁能傳輸而對裝置進行封閉或遮蔽的一種阻擋層，它可以是導電、導磁、介質的，或帶有非金屬吸收填料的。在設備的元器件和布局一定的前提下，屏蔽在電磁兼容性設計中就成為一項非常重要的內容。在屏蔽設計時，重點考慮以下幾項措施：

1)屏蔽體材料的選取。屏蔽材料主要分為電屏蔽和磁屏蔽兩種，在電磁兼容性設計時，應根據設備的具體使用環境合理的選取屏蔽材料，常用金屬材料的相對電導率σr和相對磁導率ur見表1。系統可能會受到低頻磁場干擾，結合使用環境，此次密閉機柜主體材料選用了電導率和磁導率等比較高的不銹鋼材料。

表1　常用金屬材料對銅的相對電導率σr和相對磁導率ur[6]

2)縫隙的電磁屏蔽設計。實踐證明，當縫隙的最大線形尺寸等于干擾源半波長的整數倍時，縫隙的電磁泄漏最大，一般要求縫隙的最大線形尺寸小于λ/100波長，至少不大于λ/10波長。縫隙的結構示意圖和等效電路如圖2所示。密閉機柜設計中，為減小縫隙的長度，主要采用了以下設計：

圖2　縫隙示意圖及其等效電路圖

(1)合理布置鉸鏈和鎖舌數量，密閉機柜各安裝了五個鉸鏈和鎖舌；

(2)采用導電柔性介質的屏蔽設計，在門板與柜體之間增加了導電指簧；

(3)增大接觸面的屏蔽設計，機柜門板采用刀片式結構以增加接觸面積。

5.3濾波技術

濾波技術是抑制電氣、電子設備傳導干擾的主要手段之一，也是提高電子設備抗傳導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干擾電平，利用阻抗失配原理，使電磁干擾信號受到衰減。本次系統采用了兩級濾波技術，即高頻濾波器和低頻諧波抑制器，在濾波器的安裝時，采用以下技術：

1)濾波器金屬殼與機柜外殼保證良好面接觸，并將地線界好[7]；

2)濾波器輸入線、輸出線分開布置，拉開距離，切忌并行；

3)濾波器的連接線以選用雙絞線，可有效消除部分高頻干擾信號；

4)濾波器的安裝位置選在電源入口處，以縮短輸入線在機箱內的長度，減少輻射干擾。

6　協同設計技術

電子設備的共同特點就是設備在用電能提供動力的同時，要散發出熱量，散發的熱量及其電磁兼容性并不是所希望得到的，它們的累積將給設備的正常運行帶來很大的影響。為了將這些余熱及時地排出，在產品的設計過程中就不得不考慮到這些熱問題[8]。

在密閉機柜設計中，散熱性能與電磁兼容是電子設備性能完全不同的兩個方面，但卻由同一個物理結構確定。密閉機柜的協同設計首先確定了以通風散熱為代表的熱對流為設計的協同點，其次簡要分析了熱傳導與電磁兼容的協同設計。

6.1熱對流與電磁屏蔽

為了密閉機柜的通風散熱(空調致冷空氣)，必須在屏蔽體上開設通風孔洞。電磁能量經通風孔洞泄露，是屏蔽體屏蔽下降的重要原因之一，密閉機柜采用了在通風孔洞上增加截止波導的設計技術。

6.2熱傳導與電磁屏蔽

在密閉機柜內部，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生電場或磁場耦合，若散熱器沒有良好的接地，很容易產生二次電弧放電現象，對設備內部造成損壞或毀壞。兼顧設備的電磁兼容性，密閉機柜內部散熱器接地處理采用了以下協同設計技術：

1)散熱器盡量接地，且設備若無信號地和機殼地分離現象，則直接將散熱器與機殼地良好連接，否則就必須將散熱器與信號地連接；

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，避免出現銳角或尖端部位。同時，散熱器與散熱器之間的最小距離應該大于10mm。

7　結語

試驗證明，該集成方案在環境適應性、電磁兼容性、可靠性及維修性方面的設計非常有效，尤其在信息化發展如此迅速的現在，分布式設計理念勢必會成為一種趨勢。

[1]邱成悌,趙惇殳,蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京:東南大學出版社,2005.

[2]丁連芬等譯.電子設備可靠性設計手冊[M].北京:電子工業出版社,1989.

[3]徐伯遐.抗惡劣環境的電子設備熱設計討論[J].雷達與對抗,2000(1):50.

[4]馮慈章,馬西奎.工程電磁場導論[M].北京：高等教育出版社,2002.

[5]王連坡,茅文深.電磁屏蔽技術在結構設計中的應用[J].艦船電子工程,2010(1):173.

[6]馮慈章,馬西奎.工程電磁場導論[M].北京：高等教育出版社,2002.

[7]周旭.電子設備結構與工藝[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

[8]王連坡.電子設備熱設計與電磁兼容設計的協同設計技術[J].艦船電子工程,2012(2):127.

Integrate Design Technology of System Device under the Severe Environment

WANG LianpoGU Haifeng

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Nanjing210007)

The article presents an integrate design technology of system device based on severe environment,the thermal design,electromagnetic compatibility,vibration and shock aree analyzed and demonstrated mainly.

electromagnetic compatibility,thermal design,vibration and shock,system device

2016年3月7日,

2016年4月28日

王連坡,男,高級工程師,研究方向：電子設備結構總體設計。顧海峰,男,高級工程師,研究方向：電子設備電訊總體設計。

TP274DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.034