電子設備環境適應性設計技術?

王連坡 顧海峰

（南京萊斯電子設備有限公司 南京 210007）

1 引言

隨著現代科技的不斷發展，電子設備應用的場景原來越普遍。應用場景不斷拓展就帶來了設備應用環境的多樣性，而其中的氣候、機械、電磁、生物等惡劣環境可能會導致設備功能下降甚至失效。環境適應性即“裝備在其壽命期預計可能遇到的各種環境作用（如氣候環境、生物環境、機械環境等）下能實現其所有預定功能和性能和（或）不被破壞的能力，是裝備的重要質量特性之一”［1］，其已經成為考量設備功能的一個重要指標。

設備環境適用性設計就是針對上述環境提出了相應的設計技術，主要從環境控制、環境隔離及加固設計方面進行論證、設計，以期實現低成本解決設備的環境適應性問題。

2 環境因素分類及影響

2.1 環境因素分類

按照環境因素的不同，環境可分為以下幾類：氣候環境、機械環境、電磁環境、生物環境。

2.2 主要環境因素影響分析

氣候環境主要包含高溫、低溫、濕熱、鹽霧等因素，氣候環境條件下可能使產品暴露的問題如下［2］：

1）電子器件損壞；

2）固定電阻阻值改變；

3）溫度梯度不同和不同材料的膨脹差使電子線路的穩定性發生變化或機械結構發生破壞；

4）不同材料膨脹不一致使得零部件相互咬死；

5）材料尺寸全部或局部的改變。

2.3 機械環境

2.3.1 顛震和振動

振動破壞對產品造成的破壞有兩種形式［3］：一種是峰值破壞，即設備在某一外激振動頻率作用下產生振動，振動響應幅值超過設備的耐受極限而造成的破壞。另一種是疲勞破壞，雖然振動響應幅值未超過極限值，但在長時間重復應力作用下，設備及其元器件、零部件因疲勞過度而導致破壞。

2.3.2 沖擊

沖擊是振動的一種特例，它的特點是其瞬態性。這個特點表現為沖擊的激勵能量大，但很快就消失了，且重復次數少，因此它造成的產品破壞是以峰值破壞為主，疲勞破壞次之。

3 環境適應性設計流程

電子設備環境適應性設計流程見圖1。

圖1 環境適應性設計流程圖

4 環境適應性設計

4.1 環境分析

環境適應性設計前應對設備的環境進行分析，以確定環境適應性設計的定量和定性要求，具體分析的內容如下：

1）研制總要求；

2）收集的環境數據；

3）壽命期內環境剖面。

4.2 耐氣候環境設計

電子設備耐氣候設計主要針對高溫、低溫、濕熱、鹽霧等環境條件對產品的影響。由于氣候因素對電子設備性能的影響較大，因此氣候控制設計成為軍用電子設備環境適應性設計的重要內容，尤其是其中的溫度因素。電子設備熱設計的基本任務是在熱源與熱沉之間提供一條低熱阻的通道，保證熱量迅速傳遞出去［4］。結構設計要在設備承受外界各種環境、機械應力的前提下，綜合運用對流、傳導、輻射等結構設計技術，最大限度地把設備產生的熱量散發出去。同時收集設備內部元器件尺寸、封裝形式、功耗、熱阻等參數建立設備的計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模型［5］，開展穩態熱分析，計算設備內部的熱流密度及溫度場的分布情況，并進行故障預計及可靠性評估。圖1為某車載加固設備的溫度場分布圖。

圖1 溫度場分布圖

設備進行耐高溫設計時應綜合考慮設備的發熱功耗、熱源分布、環境溫度、允許的工作溫度，與失效率相適應的元器件溫度極限、體積、重量、熱環境等因素，合理采用熱控制技術，盡可能選擇更簡單的冷卻方式，以提高系統可靠性。

該車載加固設備熱源主要來自主板板載的CPU及其他芯片，熱源分布相對集中，熱源熱流密度較大。根據熱源功率、分布及機箱的尺寸等因素，機箱的熱控制主要采取了傳導和對流兩種散熱結合的設計技術，即在熱源表面增加傳導散熱器，以降低熱源的熱流密度，同時整機安裝排風風扇，通過對風道的優化和風扇風冷的計算，確定設備的散熱技術路線，整機風冷系統見圖2。

圖2 風冷示意圖

進風風量計算：

Q（CFM）=3.16×P/△Tf=1.76×P/△Tc

計算結果：

Q（CFM）=3.16×P/△Tf=1.76×P/△Tc=62.4CFM

按照冗余設計原則，實際上選用的風扇需要大于此風量。按照以上得到的結果，選用2個中速風扇（單個風量為41.49CFM），可滿足設計要求。

4.3 耐機械環境設計

設備振動與沖擊設計的一般方法有減弱及消除振源、去諧、去耦、阻尼、小型化及剛性化［6］。應根據設備的結構和環境條件，對振動沖擊條件進行分解后，選擇相應的設計方法。

1）計算機主板加固設計

將計算機主板進行剛性化設計，將主板通過螺釘與機殼多點連接，這樣主板受到的由于振動沖擊產生的應力大部分被機殼承擔，使電路板的抗振性能大大提高。其次是去耦設計，主板上裝有很多元件，除了主板本身的固有頻率外，集成在主板上的元件都有各自的頻率，因此在振動中相互間將出現耦合，從而使固有頻率很寬。因此需要對主板上高的直立器件與主板灌封成為一個整體，這樣從根本上消除了器件與主板之間的相互耦合振動。

2）光驅加固設計

對振動敏感的光驅采用獨立模塊化設計，并通過減振器安裝在機箱上，光驅采用一級減振，能更有效地緩沖隔離外部振動沖擊能量對光驅的影響。

3）光纖卡、網卡加固設計

在光纖卡、網卡后端加裝固定支架并與橫梁連接，再將其彎角件與機箱安裝緊固，配合PCI插槽，這樣板卡在各個方向運動的自由度均被限制，使板卡與機架形成近似剛體，可以有效地抵抗因沖擊、振動等各種機械力的干擾。同時也避免了板卡在某一激振頻率下產生振幅很大的共振，提高了板卡與計算機主板插槽連接的可靠性。加固示意圖見圖3。

圖3 板卡加固示意圖

4）力學仿真

（1）機箱結構的剛、強度設計

動力學仿真［7］計算前5階諧振頻率見表1。

表1 機箱各階諧振頻率

圖5 設備第一第二階振型

圖6 設備第三第四階振型

（2）模擬運輸條件做隨機振動分析［8］

一般情況下，鐵路、汽車運輸條件頻率為5Hz～150Hz，設定隨機振動的條件如圖7所示。

圖7 隨機振動量級圖

ANSYS分析結果如圖8所示。

圖8 ANSYS分析結果圖

隨機振動分析時最大應力出現在Y向振動時，其值為10.153Mpa，遠小于鋁合金3303的屈服強度（約270Mpa～275Mpa），在此應力下系統結構不會產生破壞，可見系統結構強度和剛度完全滿足力學設計要求。

若需要采用減振設備時，減振裝置應避開設備的固有頻率，以免發生設備共振而造成設備在使用中損壞。選用減振裝置應根據設備重量、使用環境要求、減振裝置安裝位置及數量等因素綜合考慮。同時，為避免引起設備共振，選用減振裝置時應計算設備的固有頻率，固有頻率的計算公式［9］為

4.4 耐電磁環境設計

耐電磁環境設計主要是指設備的電磁兼容性，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。電磁兼容性設計內容包括：限制干擾源的電磁發射、控制電磁干擾的傳播及增強敏感設備的抗干擾能力。

4.4.1 屏蔽設計

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

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［10］。

3）孔洞的電磁屏蔽設計。電子設備因通風散熱、調控軸、表頭安裝及連接電纜等不可避免地會開制一些孔洞，電磁能量經孔洞泄漏，是屏蔽體屏蔽效能下降的重要原因之一。且屏蔽效果會隨著孔洞的增大而變小，一般來說，孔洞的尺寸應小于λ/50，且不得大于λ/20。

4.4.2 接地技術

在電子設備中，接地是抑制電磁噪聲和防止干擾的重要手段，其中包括接地點的選擇，電路組合接地的設計和抑制接地干擾措施的應用等方面都應全面考慮。以下為減小電磁干擾所采取的接地技術設計。

1）減少接地點之間電位差。

2）管形接地線。

3）保證接地線的電氣連接可靠性。

4）接地方式的選擇。在電子設備中有三種基本接地方式：懸浮地、單點接地和多點接地。單點接地適用于低頻，多點接地適用于高頻。一般來說，頻率在1MHz以下可采用單點接地方式，頻率高于10MHz應采用多點接地方式，頻率在1MHz～10MHz之間，可以采用混合接地［11］。

4.4.3 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。濾波器的安裝對其性能影響非常大，在使用濾波器時應注意以下事項：

1）濾波器金屬殼與機箱殼必須保證良好的面接觸，并將地線接好［12］；

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；

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

5 結語

電子設備的環境適應性設計涉及面很廣，需要解決的問題比較多，設計難度也比較大，但其作為電子設備主要的性能指標，以及提高設備可靠性、延長使用壽命的重要手段必須加以重視。應采用并行設計方法將環境適應性設計納入到總體設計當中。環境適應性設計在設備的研制初期就和電路、結構設計同步進行，根據項目研制合同及設計方案積極采用先進技術和較成熟的工藝對設備進行設計。此外，實行定期檢查和維修、積極收集以往產品環境適應性能力的各項數據也是提高后續軍用電子設備環境適應性的一種好方法。