基于應(yīng)用環(huán)境下的電子設(shè)備產(chǎn)品適應(yīng)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫 濤，李海波

(西安愛(ài)科賽博電氣股份有限公司,陜西 西安 710119)

0 引 言

隨著戶外電子設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，會(huì)遭遇到氣候條件、地域因素、溫濕度變化、機(jī)械沖擊、電磁干擾(EMI)等多樣性應(yīng)用環(huán)境的挑戰(zhàn)，存在著導(dǎo)致設(shè)備功能下降或失效的風(fēng)險(xiǎn)。為保障設(shè)備在產(chǎn)品生命周期內(nèi)就上述可能遇到的各種環(huán)境作用下能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能不被破壞，產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)已經(jīng)成為考量電子設(shè)備功能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

而就環(huán)境適應(yīng)性所涉及的鹽霧、潮濕霉菌、振動(dòng)沖擊、散熱、EMI等問(wèn)題的應(yīng)對(duì)方案在設(shè)計(jì)論證層次而言，從環(huán)境控制、環(huán)境隔離到加固設(shè)計(jì)、布局優(yōu)化等環(huán)節(jié)，都受制于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)同實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)方案也往往深度耦合且強(qiáng)相關(guān)。產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計(jì)的盲區(qū)往往出現(xiàn)在多個(gè)學(xué)科業(yè)務(wù)領(lǐng)域邊界缺乏關(guān)注的外延部分，這也是產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計(jì)的痛點(diǎn)。設(shè)計(jì)活動(dòng)中出現(xiàn)的問(wèn)題，往往越是在早期解決越能有利于產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)。所以在產(chǎn)品方案初期，就應(yīng)用環(huán)境對(duì)設(shè)備影響和危害進(jìn)行分析，重視結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的相關(guān)性，以之為切入點(diǎn)，對(duì)業(yè)務(wù)盲區(qū)進(jìn)行梳理，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的適應(yīng)性設(shè)計(jì)能夠起到提綱挈領(lǐng)的作用。

1 設(shè)備應(yīng)用環(huán)境的分類及影響

依照電子設(shè)備使用環(huán)境的不同，環(huán)境因素可以分為受控與非受控環(huán)境、地域環(huán)境、力學(xué)環(huán)境和電磁環(huán)境。這些應(yīng)用環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的影響如下：

1.1 受控與非受控環(huán)境

依照對(duì)電子設(shè)備的影響,自然環(huán)境可分為受控環(huán)境和非受控環(huán)境。受控環(huán)境也稱為A類環(huán)境，指設(shè)備工作在溫度受控的室內(nèi)或者有人居住的房間，空氣相對(duì)濕度可控制在65%以下的環(huán)境。而非受控環(huán)境又分為B類環(huán)境、C類環(huán)境和D類環(huán)境。B類環(huán)境指設(shè)備工作在一般室外環(huán)境，有簡(jiǎn)單遮蓋，濕度偶然會(huì)達(dá)到100%，溫度不受控，但沒(méi)有高鹽分空氣或污染物影響的環(huán)境。C類環(huán)境，指設(shè)備暴露在陸地上，距地面2～3 km，有冶煉、煤礦、熱電、化工等污染源，或離海洋0.5～3.7 km的高鹽分的陸地環(huán)境。D類環(huán)境，指設(shè)備距離海岸線500 m內(nèi)，暴露在海上或海岸邊大氣中，受到風(fēng)吹日曬雨淋的室外環(huán)境。

在非受控環(huán)境下，設(shè)備影響在于潮濕、鹽霧、霉菌引起的化學(xué)腐蝕、電偶腐蝕和有機(jī)腐蝕，導(dǎo)致的設(shè)備結(jié)構(gòu)電氣理化性能損傷。以電偶腐蝕為例，設(shè)備工作時(shí)，由于溫濕度變化，內(nèi)部產(chǎn)生凝露，積聚后吸附含外界鹽分、金屬離子粉塵成為帶電解離子的腐蝕溶液；當(dāng)設(shè)備不同器件金屬表面間存在電位差，并在該處發(fā)生凝露匯集時(shí)，帶電解離子的腐蝕溶液在金屬間搭接產(chǎn)生回路，形成電偶腐蝕。短時(shí)間內(nèi)即可造成鈑金結(jié)構(gòu)、器件的快速銹蝕、短路、失效。

潮濕環(huán)境下霉菌的危害在于其能夠?qū)﹄姎獾慕^緣材料進(jìn)行直接或間接的侵蝕，霉菌能分解材料，并作為自己的養(yǎng)分，這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)致設(shè)備材料的劣化，如聚氯乙烯制品、聚氨酯(某些聚酯和聚醚)、有機(jī)填充材料的塑料。這種直接或間接的侵蝕還會(huì)導(dǎo)致電子和電氣系統(tǒng)的損害，在絕緣材料上形成不希望有的導(dǎo)電通路，并對(duì)精密調(diào)節(jié)電路的電特性發(fā)生影響。

1.2 地域環(huán)境

地域環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的影響主要體現(xiàn)在海拔因素。海拔高度上升會(huì)導(dǎo)致大氣壓和空氣密度下降，引起電子設(shè)備的風(fēng)機(jī)、空調(diào)散熱和冷卻性能衰減。氣壓降低又導(dǎo)致以空氣為絕緣介質(zhì)的設(shè)備絕緣性能下降，為消除放電，使產(chǎn)品符合安規(guī)要求，必然就設(shè)備電氣間隙距離進(jìn)行調(diào)整，從而導(dǎo)致電氣安規(guī)距離提高。影響分別如圖1所示。

圖1 海拔高度對(duì)電子設(shè)備散熱和安規(guī)設(shè)計(jì)的影響

其次為伴隨高海拔太陽(yáng)輻射熱效應(yīng)，與高溫產(chǎn)生熱效應(yīng)機(jī)理不同，太陽(yáng)輻射熱效應(yīng)具有方向性的熱梯度，當(dāng)設(shè)備各類器件材料和部件以不同的速率和膨脹或收縮，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力并破壞器件結(jié)構(gòu)完整性。太陽(yáng)輻射的紫外線部分還會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致織物、塑料變色，涂層開(kāi)裂、變色、粉化，天然橡膠、合成橡膠等聚合物的劣化。

1.3 力學(xué)環(huán)境

當(dāng)設(shè)備為車載、艦載、機(jī)載環(huán)境，或在運(yùn)輸、裝卸條件下都會(huì)存在沖擊和振動(dòng)。沖擊會(huì)直接對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響，沖擊的響應(yīng)分量由施加在設(shè)備上外部激勵(lì)環(huán)境的強(qiáng)迫響應(yīng)分量和隨后的設(shè)備固有頻率響應(yīng)分量組成。沖擊易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件過(guò)應(yīng)力，產(chǎn)生永久變形，加速疲勞，導(dǎo)致晶體、陶瓷、環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃封裝器件破裂、失效。而振動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備及內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)位移，其位移及相應(yīng)的速度、加速度會(huì)引起結(jié)構(gòu)件疲勞，導(dǎo)致器件松動(dòng)、斷續(xù)接觸和功能損壞。

具體案例如圖2所示[1]，在振動(dòng)激勵(lì)作用下，垂直于軸向的印制電路板面，加速度使其產(chǎn)生偏移，前后彎曲，導(dǎo)致固定器件與電路板的引線產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。印制電路板、器件本體、引線間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力。在該環(huán)境下,大多數(shù)器件的失效都是由焊點(diǎn)開(kāi)裂、密封破壞、引線斷開(kāi)而引起。當(dāng)耦合諧振出現(xiàn)在器件或印制電路板中時(shí)，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)最為嚴(yán)酷。

圖2 典型安裝的印制板在振動(dòng)時(shí)引起的元器件引線彎曲

1.4 電磁環(huán)境

主要是針對(duì)器件、電路板、設(shè)備、系統(tǒng)在電磁環(huán)境下運(yùn)行時(shí)發(fā)生的電磁干擾問(wèn)題。當(dāng)多個(gè)高精度、高靈敏的電子設(shè)備安裝于狹小緊湊的空間(如車載、艦載和機(jī)載環(huán)境)里，設(shè)備間產(chǎn)生相互干擾，影響敏感設(shè)備的正常工作，導(dǎo)致裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能下降。

電磁干擾形成的3個(gè)要素是干擾源、傳播耦合通道和敏感設(shè)備。干擾源發(fā)出的電磁能量，通過(guò)某種耦合通道傳輸至敏感設(shè)備，導(dǎo)致敏感設(shè)備出現(xiàn)某種形式的響應(yīng)并產(chǎn)生效果，其過(guò)程和影響稱為電磁干擾效應(yīng)。當(dāng)干擾導(dǎo)致設(shè)備和系統(tǒng)失靈，可能會(huì)引起嚴(yán)重事故。

2 就環(huán)境適用性開(kāi)展結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的前提

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的前提，是整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就應(yīng)用環(huán)境對(duì)設(shè)備影響和危害有充分的認(rèn)識(shí)，對(duì)各自業(yè)務(wù)領(lǐng)域的功能指標(biāo)服從于整體環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)的認(rèn)知高度一致，這也是后期產(chǎn)品順利就結(jié)構(gòu)方案開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的保證。就整體功能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性、氣候環(huán)境特性、耐機(jī)械沖擊、熱設(shè)計(jì)特性、電磁兼容特性等各指標(biāo)之間的相關(guān)性或者耦合特性進(jìn)行分析，按照表1相關(guān)性由弱到強(qiáng)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性解耦設(shè)計(jì)。

表1 環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)特性的相關(guān)性強(qiáng)弱分析

注：+，強(qiáng)相關(guān);-，弱相關(guān)

3 環(huán)境適應(yīng)性下的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

3.1 非受控環(huán)境下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

就非受控環(huán)境下的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)部件，按照設(shè)計(jì)用途、適用環(huán)境等級(jí)，其材料及緊固件選型、表面涂覆工藝處理必須與設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)境相一致。

當(dāng)設(shè)備工作在戶外，暴露于自然環(huán)境，受到風(fēng)吹日曬、雨雪冰雹直接作用的機(jī)械結(jié)構(gòu)件稱為I型結(jié)構(gòu)件。反之，處于設(shè)備內(nèi)部只受到間接影響的結(jié)構(gòu)件稱為II型結(jié)構(gòu)件。工作在B類環(huán)境下的I型結(jié)構(gòu)件可采用熱鍍鋅鋼板，外表不能有切口和焊縫，表面噴涂室外粉末涂層；當(dāng)設(shè)備結(jié)構(gòu)屬于直通風(fēng)時(shí)，其緊固件表面處理工藝為鍍鋅鎳；或選用常見(jiàn)的鍍彩鋅、黒鋅工藝緊固件。

C類環(huán)境下的I型結(jié)構(gòu)件和螺紋緊固件可采用奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10或443，表面鈍化。當(dāng)不銹鋼與鋁鋅基材的零件接觸時(shí)，為避免電偶腐蝕，不銹鋼表面應(yīng)進(jìn)行噴粉或作鋅鋁涂層絕緣工藝處理。

D類環(huán)境下I型結(jié)構(gòu)件的材料選型和表面處理工藝與C類相同，但螺紋緊固件應(yīng)為022Cr17Ni12Mo2，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部相對(duì)濕度不能控制在65%以下時(shí)，結(jié)構(gòu)件嚴(yán)禁設(shè)計(jì)為戶外直通風(fēng)。當(dāng)為車載或艦載時(shí)可采用鋁合金件，表面采用陽(yáng)極氧化、聚氨酯清漆或采用導(dǎo)電氧化處理，選用鍶黃底漆，然后再噴面漆。

3.2 器件三防工藝、灌封材料選型和結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)備工作于非受控環(huán)境下時(shí)，僅靠箱體或柜體的表面防護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部器件的防護(hù)是有限的。為保證器件可靠性，首先要對(duì)調(diào)試后印制板和功率模塊作三防涂覆工藝處理。在被涂覆物表面生成一層20～200 μm的保護(hù)膜，使被涂覆物與周圍環(huán)境進(jìn)行隔離。但它不耐振動(dòng)沖擊，膜層間有針孔，不能完全耐水汽侵蝕，僅適用于一般大氣環(huán)境和艙內(nèi)電子設(shè)備。

對(duì)暴露在濕熱、鹽霧和霉菌環(huán)境下的器件，還需要采用環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)硅或聚氨酯等灌封材料對(duì)電子器件進(jìn)行封裝，與環(huán)境徹底隔絕，保證電氣性能不受影響。灌封材料選型時(shí)要考慮材料理化特性并權(quán)衡被灌封器件的維修性和可靠性。環(huán)氧樹(shù)脂性能穩(wěn)定、附著力強(qiáng)、耐絕緣、耐磨和強(qiáng)度高，灌封后尺寸穩(wěn)定和耐輻照性較強(qiáng)。缺點(diǎn)是彈性韌性不足，脆性大，固化時(shí)有內(nèi)應(yīng)力，有導(dǎo)致脆性器件開(kāi)裂的可能,且封裝為一次性，灌封后無(wú)法拆裝，不可維修，適用于高壓變壓器類可靠性較高的元件。有機(jī)硅凝膠和聚氨酯屬于彈性封裝材料，綜合性能好，易拆裝，可維修性強(qiáng)，適用于復(fù)雜電路、印制板、模塊類器件。

為降低腐蝕環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響，戶外結(jié)構(gòu)件表面形狀應(yīng)簡(jiǎn)單、光滑、避免尖角；為避免內(nèi)部積水、凝露、濕氣和腐蝕介質(zhì)，底板應(yīng)設(shè)計(jì)一定的傾角，可以排露排液。不同金屬的搭接表面，I型結(jié)構(gòu)件表面金屬電極電位差應(yīng)控制在0.25 V以內(nèi)；Ⅱ型結(jié)構(gòu)件電極電位差應(yīng)控制在0.5 V以內(nèi)，以避免電偶腐蝕。對(duì)不滿足電位差要求的金屬，必須搭接時(shí)，可選擇涂覆絕緣保護(hù)層、增加絕緣襯墊、填充密封膠或鍍覆過(guò)渡金屬層處理。

3.3 振動(dòng)沖擊環(huán)境下的隔振機(jī)理及結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

抑制振動(dòng)和沖擊的方法有消除振源、去諧、去耦、阻尼、小型化和剛性化。評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)隔振性能的參數(shù)為振動(dòng)傳遞率。當(dāng)以圖3所示的單自由度系統(tǒng)在簡(jiǎn)諧激勵(lì)力作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析定義傳遞位移和擾動(dòng)位移的比值時(shí)，傳遞率TX為：

(1)

圖3 單自由度隔振系統(tǒng)傳遞率的頻率特性

圖4 機(jī)箱PCB二自由度的隔振系統(tǒng)

以圖2、圖4所述機(jī)箱內(nèi)印制電路板為例，對(duì)振動(dòng)環(huán)境下的機(jī)箱PCB加固設(shè)計(jì)，應(yīng)就系統(tǒng)固有頻率設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)劃，在機(jī)箱固有頻率的分析階段，按照激勵(lì)的傳遞通道考慮采用倍頻程法對(duì)機(jī)箱、PCB的固有頻率隔離，即機(jī)箱與PCB的固有頻率應(yīng)以大于2∶1的比值進(jìn)行設(shè)計(jì)。作為質(zhì)量1的機(jī)箱具有100 Hz的固有頻率，質(zhì)量2的PCB應(yīng)具有大于200 Hz的固有頻率。合理設(shè)計(jì)機(jī)箱蓋板、底板、側(cè)板和前后面板的截面尺寸，優(yōu)化慣性矩，控制單位長(zhǎng)度質(zhì)量，對(duì)剛度薄弱的部分增加壁厚，調(diào)整橫截面積，提高慣性矩，采用加強(qiáng)肋提升機(jī)箱的剛度。同理，PCB組件可通過(guò)小型化控制鎖緊螺釘?shù)拈g隔，增加鎖緊螺釘個(gè)數(shù)，在PCB主板設(shè)置加強(qiáng)筋，采用剛性灌封材料環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封裝都可以提升和控制PCB組件的基礎(chǔ)頻率。

采用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的有限元?jiǎng)恿W(xué)模態(tài)分析就振動(dòng)環(huán)境下結(jié)構(gòu)方案開(kāi)展固有頻率設(shè)計(jì)和驗(yàn)證是很有必要的。某艦載電子設(shè)備在機(jī)箱設(shè)計(jì)階段的動(dòng)力學(xué)模態(tài)仿真前6階諧振頻率特性(見(jiàn)表2)，部分振型如圖5所示。

表2 機(jī)箱前6階諧振頻率特性

圖5 機(jī)箱第一第二第六模態(tài)振型

經(jīng)過(guò)分析可知，機(jī)箱的一二六階諧振位置均發(fā)生在蓋板，其振型分別為上下彎曲的半正弦波、全正弦波、有2組零位移的波節(jié)點(diǎn)的正弦波振動(dòng)。機(jī)箱的一階諧振頻率取決于組件蓋板的剛度。在控制機(jī)箱質(zhì)量的前提下，對(duì)蓋板非外觀面背面采用局部添加強(qiáng)筋的優(yōu)化方案如圖6，優(yōu)化后機(jī)箱前6階諧振頻率特性和部分振型如表3和圖7。

圖6 機(jī)箱蓋板優(yōu)化方案

表3 蓋板加固優(yōu)化后機(jī)箱前6階諧振頻率特性

在動(dòng)力學(xué)環(huán)境下，低階固有頻率因模態(tài)有效質(zhì)量較高，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能影響最大，高階諧振頻率因模態(tài)有效質(zhì)量小，激發(fā)后產(chǎn)生的諧振對(duì)系統(tǒng)的損傷影響也小。由圖7可知，蓋板優(yōu)化后，機(jī)箱的基礎(chǔ)諧振頻率提升了約1倍有余，其余5階也有較大幅度的提升，機(jī)箱整體剛度明顯改善。同理對(duì)機(jī)箱前后進(jìn)出風(fēng)板采取類似加固方法，系統(tǒng)整體剛度仍會(huì)有較大的提升空間。

圖7 機(jī)箱第一第三第六模態(tài)振型

機(jī)箱常見(jiàn)振型主要以彎曲、扭轉(zhuǎn)和上述兩振型的耦合為主，振型耦合后諧振頻率會(huì)明顯低于振動(dòng)諧振頻率和扭轉(zhuǎn)固有頻率，機(jī)箱會(huì)出現(xiàn)較大的位移和應(yīng)力，導(dǎo)致材料壽命縮短。故機(jī)箱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)消除耦合，在振動(dòng)沖擊量級(jí)較高的環(huán)境下，對(duì)機(jī)箱盡可能全約束；避免使用簡(jiǎn)單的滑軌限位結(jié)構(gòu)。內(nèi)部器件選型應(yīng)高度尺寸相近，避開(kāi)高重心元件，機(jī)箱安裝架高度應(yīng)高于機(jī)箱重心，機(jī)箱高度與寬度的取值不超過(guò)0.5。

3.4 環(huán)境適應(yīng)性下的熱設(shè)計(jì)及EMC耦合設(shè)計(jì)

戶外電子設(shè)備要能夠耐受自然環(huán)境溫度和氣候變化，并具備一定的熱設(shè)計(jì)裕量。熱設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)采用恰當(dāng)?shù)姆椒刂圃O(shè)備內(nèi)部器件的溫度，使其在工作環(huán)境溫度下不超過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行的最高溫度，保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性和可靠性。對(duì)IGBT、SRC和MOSFET可控硅元件，通過(guò)器件選型，確定降額因子，使器件芯片結(jié)溫工作在允許的使用范圍，承受的熱應(yīng)力低于其額定值，達(dá)到延緩參數(shù)退化的目的。對(duì)變壓器、電抗器類應(yīng)保證其工作時(shí)溫升不超過(guò)對(duì)應(yīng)的絕緣和阻燃材料的設(shè)計(jì)要求。

在項(xiàng)目立項(xiàng)階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即應(yīng)參與到產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，確定冷卻方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷或自然冷卻。冷卻方式不同，結(jié)構(gòu)方案的布局會(huì)有很大的差異。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為風(fēng)冷時(shí)，規(guī)劃內(nèi)部器件布局、風(fēng)道設(shè)計(jì)，應(yīng)優(yōu)先保證發(fā)熱量較低的器件和敏感功率元件置于風(fēng)道進(jìn)風(fēng)側(cè)，非敏感負(fù)載(變壓器)放在風(fēng)道的出風(fēng)口側(cè)。基于設(shè)備理論滿載功率和效率，確定熱損耗值W，評(píng)估設(shè)備進(jìn)出口溫升ΔT，對(duì)應(yīng)風(fēng)冷系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)PQ特性曲線中級(jí)風(fēng)量參數(shù)Q應(yīng)滿足；

Qactual=W/ρCpΔT

(2)

Qfan=(1.5～3)Qactual

(3)

風(fēng)冷系統(tǒng)的風(fēng)阻特性導(dǎo)致風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的靜壓損失ΔP可以通過(guò)下式估算:

(4)

ω0=Qactual/Aoutlet

(5)

式中:ρ為對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度下的空氣密度;CP為對(duì)應(yīng)環(huán)溫下的空氣定壓比熱容;ζ為風(fēng)道阻力系數(shù);Qactual為風(fēng)機(jī)實(shí)際出風(fēng)量；Aactual為風(fēng)機(jī)出風(fēng)口橫截面積;ω0為流經(jīng)風(fēng)道的風(fēng)速。

其中,風(fēng)道的各部分阻力系數(shù)值詳見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。依據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量在預(yù)選風(fēng)機(jī)的PQ曲線查到的靜壓必須大于式(8)估算的ΔP，否則風(fēng)機(jī)重新選型。就系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫升，對(duì)戶外設(shè)備可避免太陽(yáng)直射或其他熱源的輻射時(shí)，控制在10～15 ℃，當(dāng)無(wú)法避免太陽(yáng)直射時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫升應(yīng)控制在10 ℃以下。

當(dāng)戶外設(shè)備選擇自然冷卻式時(shí)，大多在于設(shè)備同時(shí)有明確的EMC耦合要求而非器件熱流密度較小。出于屏蔽機(jī)理,以密閉金屬殼體為屏蔽結(jié)構(gòu)，采用功率元件表面貼附金屬結(jié)構(gòu)件表面?zhèn)鲗?dǎo)散熱，同時(shí)并聯(lián)增加功率元件組數(shù)，降低器件熱流密度；結(jié)構(gòu)件采取黑色陽(yáng)極氧化和磨砂工藝，增強(qiáng)熱輻射散熱能力。因這一方案?jìng)鳠崧窂綗嶙栎^高，僅適用于屏蔽內(nèi)部電流密度較小的情形。當(dāng)設(shè)備熱流密度、屏蔽效能、屏蔽頻率要求都比較高時(shí)，應(yīng)選擇穿孔金屬板或者截止波導(dǎo)式的空氣自然對(duì)流或強(qiáng)迫風(fēng)冷屏蔽方案。但前提是應(yīng)對(duì)其屏蔽效能進(jìn)行選型評(píng)估。穿孔金屬板的屏蔽效能為[4]：

ES=A+R+B+K1+K1+K2+K3

(6)

式中:A為孔的吸收損耗;R為孔的反射損耗;B為多次反射修正因子;K1為孔洞數(shù)目修正;K2為低頻穿透修正;K3為孔間相互耦合修正。

截止波導(dǎo)的屏蔽效能為[4]:

ESΣ=ES1-20lgN

(7)

式中:ESΣ為截止波導(dǎo)通風(fēng)板的總屏蔽效能;ES1為單根截止波導(dǎo)的屏蔽效能;N為截止波導(dǎo)的總數(shù)。

確定對(duì)應(yīng)穿孔金屬板或截止波導(dǎo)的孔徑參數(shù)和開(kāi)孔率后，依據(jù)風(fēng)冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的選型方法,計(jì)算風(fēng)道總體阻力系數(shù)，確定風(fēng)機(jī)型號(hào)。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段,對(duì)熱設(shè)計(jì)有耦合要求和存在EMC的情況應(yīng)開(kāi)展理論計(jì)算、誤差分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)和EMC耦合仿真模擬的前期論證,并結(jié)合測(cè)試階段的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試和設(shè)備驗(yàn)證多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

電子設(shè)備基于應(yīng)用環(huán)境的適用性設(shè)計(jì)涉及學(xué)科和業(yè)務(wù)領(lǐng)域比較多，復(fù)雜度較高，但作為電子設(shè)備的重要性能指標(biāo)，在項(xiàng)目規(guī)劃中必須予以保證和重視。在項(xiàng)目初期就環(huán)境適用性開(kāi)展總體設(shè)計(jì)分析，結(jié)構(gòu)與電氣應(yīng)就業(yè)務(wù)邊界的交叉領(lǐng)域、盲區(qū)予以識(shí)別，采取并行設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌設(shè)計(jì)結(jié)合的方法，依據(jù)項(xiàng)目合同研制任務(wù)書對(duì)產(chǎn)品各項(xiàng)功能指標(biāo)進(jìn)行分解、細(xì)化；采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝，并就項(xiàng)目技術(shù)成熟度進(jìn)行論證，確保產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)的方案設(shè)計(jì)文件可靠，研制項(xiàng)目順利實(shí)施和交付。此外，對(duì)前期同類產(chǎn)品的定期檢查和維修性、可靠性數(shù)據(jù)的收集、歸納整理也有助于提高后期新項(xiàng)目產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的可行性。