惡劣環(huán)境下系統(tǒng)設(shè)備集成設(shè)計技術(shù)*

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(huán)境下系統(tǒng)設(shè)備集成設(shè)計技術(shù)*

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(huán)境下的一種系統(tǒng)設(shè)備集成設(shè)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(tǒng)設(shè)備

Class NumberTP274

1　引言

在一些大型系統(tǒng)的建設(shè)中，往往涉及顯示、控制、數(shù)據(jù)處理、通信等分系統(tǒng)，每個分系統(tǒng)最終均依賴設(shè)備來實現(xiàn)，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)中需集成大量的硬件設(shè)備。由于系統(tǒng)功能的不斷提升，要求系統(tǒng)設(shè)備具有較高的性能指標(biāo)，同時，為了縮短系統(tǒng)的研制周期、提高系統(tǒng)的費效比，系統(tǒng)內(nèi)部往往會集成大量的技術(shù)成熟的商用設(shè)備。商用設(shè)備一般都是工作在室內(nèi)等條件比較友好的環(huán)境中。若系統(tǒng)工作在比較惡劣的環(huán)境如戶外、沿海、島嶼等惡劣環(huán)境中，環(huán)境中的粉塵、鹽霧、水蒸氣等有害物質(zhì)進入設(shè)備內(nèi)部會大大降低設(shè)備性能，同時高溫、低溫、高濕等環(huán)境會大大加快設(shè)備的損壞過程。普通商用設(shè)備一般很難適應(yīng)如此惡劣環(huán)境，從而導(dǎo)致系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)備全部進行加固。系統(tǒng)設(shè)備全部加固往往會帶來以下問題：1)系統(tǒng)設(shè)備加固存在較大的技術(shù)風(fēng)險，可能會導(dǎo)致設(shè)備加固失敗的結(jié)果； 2)系統(tǒng)設(shè)備加固會大大提高設(shè)備的研制費用，加固設(shè)備與普通設(shè)備的價格往往會相差幾倍甚至幾十倍； 3)系統(tǒng)設(shè)備加固會大大提高系統(tǒng)的研制周期； 4)某些系統(tǒng)設(shè)備先天不具備加固條件，強行加固可能會導(dǎo)致設(shè)備性能下降或損壞，從而影響整個系統(tǒng)的功能。另外，目前大部分系統(tǒng)設(shè)備集成方案仍舊是將設(shè)備按功能劃分，以設(shè)備之間線纜連接數(shù)量決定設(shè)備的安裝位置，往往是將顯示控制設(shè)備與數(shù)據(jù)處理設(shè)備安裝在同一個機柜或操控臺內(nèi)，隨著系統(tǒng)性能不斷提高，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理設(shè)備的運算能力的要求也越來越高，受散熱、電磁兼容等技術(shù)的制約，目前全加固的數(shù)據(jù)處理設(shè)備的性能往往不及商用設(shè)備，為了達到系統(tǒng)的性能要求，數(shù)據(jù)處理設(shè)備一般采用性能優(yōu)良的商用設(shè)備。商用的數(shù)據(jù)處理設(shè)備與顯示控制設(shè)備統(tǒng)一安裝位置給系統(tǒng)設(shè)備加固帶來新的困難。

2　分布式設(shè)計

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

圖1　加固顯示器外形圖

3　關(guān)鍵技術(shù)

加固類設(shè)備已具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，本文重點討論為一些商用類設(shè)備提供微環(huán)境的設(shè)計技術(shù)。微環(huán)境的構(gòu)建主要依賴密閉機柜來實現(xiàn)，密閉機柜通過抗振設(shè)計、熱設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計等設(shè)計技術(shù)，為安裝在內(nèi)部的設(shè)備提供一個友好的工作環(huán)境。

4　熱設(shè)計

4.1熱控制的理論基礎(chǔ)

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)、對流和輻射[1]。

4.1.1熱傳導(dǎo)

氣體導(dǎo)熱是分子不規(guī)則運動的結(jié)果，固體導(dǎo)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(dǎo)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(fā)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(shù)，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(shù)，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(zhuǎn)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(shù)(5.67×10-8W/(m2·K4))；T為物體表面的熱力學(xué)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(shè)計技術(shù)

密閉機柜內(nèi)部集成了大量的數(shù)據(jù)處理類設(shè)備，設(shè)備發(fā)熱量較大，熱流密度最高可達20kW/m3，根據(jù)常用的熱控制措施，應(yīng)采用強迫風(fēng)冷級別散熱，根據(jù)美國軍用標(biāo)準(zhǔn)《MIL-STD-454》要求，“除非水分和污染物用適當(dāng)?shù)难b置除去，禁止用大氣中吸入的空氣直接氣冷，在封閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)中可以用直接氣冷方法”[3]，由于環(huán)境條件比較惡劣，密閉機柜采用了空調(diào)冷卻，且空調(diào)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(shè)計

5.1電磁兼容性理論分析

電磁兼容性是指器件、設(shè)備或系統(tǒng)在所處電磁環(huán)境中良好運行，并且不對其所在環(huán)境產(chǎn)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(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備互不干擾、兼容運行，即要控制騷擾源的電磁發(fā)射，又要提高受騷擾對象的抗擾度。

電磁兼容性設(shè)計依據(jù)為系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的電磁敏感度。設(shè)系統(tǒng)內(nèi)干擾源N的作用功率為Pin(n=1,2…)，而被干擾設(shè)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(shè)備M產(chǎn)生干擾作用的有效作用系數(shù)；Kpmn為干擾源N對被干擾源設(shè)備M產(chǎn)生干擾的耦合作用系數(shù)；Ksmn為被干擾源設(shè)備M對電磁干擾的敏感度。

當(dāng)干擾功率Pamn大于受干擾設(shè)備的容限Prm時，就需要采取措施改善電磁兼容性。當(dāng)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(shè)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(shè)備M產(chǎn)生干擾的耦合作用系數(shù)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(shè)備M的電磁干擾敏感度Ksmn或提高被干擾設(shè)備的承受干擾的容限Prm。

5.2電磁兼容設(shè)計技術(shù)

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(shè)計，具體如下。

5.2.1合理布局

合理布局包括系統(tǒng)內(nèi)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(shè)。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?shù)囊环N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(dǎo)電、導(dǎo)磁、介質(zhì)的，或帶有非金屬吸收填料的。在設(shè)備的元器件和布局一定的前提下，屏蔽在電磁兼容性設(shè)計中就成為一項非常重要的內(nèi)容。在屏蔽設(shè)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(shè)計時，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的具體使用環(huán)境合理的選取屏蔽材料，常用金屬材料的相對電導(dǎo)率σr和相對磁導(dǎo)率ur見表1。系統(tǒng)可能會受到低頻磁場干擾，結(jié)合使用環(huán)境，此次密閉機柜主體材料選用了電導(dǎo)率和磁導(dǎo)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(dǎo)率σr和相對磁導(dǎo)率ur[6]

2)縫隙的電磁屏蔽設(shè)計。實踐證明，當(dāng)縫隙的最大線形尺寸等于干擾源半波長的整數(shù)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?？p隙的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路如圖2所示。密閉機柜設(shè)計中，為減小縫隙的長度，主要采用了以下設(shè)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(shù)量，密閉機柜各安裝了五個鉸鏈和鎖舌；

(2)采用導(dǎo)電柔性介質(zhì)的屏蔽設(shè)計，在門板與柜體之間增加了導(dǎo)電指簧；

(3)增大接觸面的屏蔽設(shè)計，機柜門板采用刀片式結(jié)構(gòu)以增加接觸面積。

5.3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，使電磁干擾信號受到衰減。本次系統(tǒng)采用了兩級濾波技術(shù)，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(shù)：

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(nèi)的長度，減少輻射干擾。

6　協(xié)同設(shè)計技術(shù)

電子設(shè)備的共同特點就是設(shè)備在用電能提供動力的同時，要散發(fā)出熱量，散發(fā)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(shè)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(chǎn)品的設(shè)計過程中就不得不考慮到這些熱問題[8]。

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

6.1熱對流與電磁屏蔽

為了密閉機柜的通風(fēng)散熱(空調(diào)致冷空氣)，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，密閉機柜采用了在通風(fēng)孔洞上增加截止波導(dǎo)的設(shè)計技術(shù)。

6.2熱傳導(dǎo)與電磁屏蔽

在密閉機柜內(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)生電場或磁場耦合，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，對設(shè)備內(nèi)部造成損壞或毀壞。兼顧設(shè)備的電磁兼容性，密閉機柜內(nèi)部散熱器接地處理采用了以下協(xié)同設(shè)計技術(shù)：

1)散熱器盡量接地，且設(shè)備若無信號地和機殼地分離現(xiàn)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(xiàn)銳角或尖端部位。同時，散熱器與散熱器之間的最小距離應(yīng)該大于10mm。

7　結(jié)語

試驗證明，該集成方案在環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性、可靠性及維修性方面的設(shè)計非常有效，尤其在信息化發(fā)展如此迅速的現(xiàn)在，分布式設(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京:東南大學(xué)出版社,2005.

[2]丁連芬等譯.電子設(shè)備可靠性設(shè)計手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,1989.

[3]徐伯遐.抗惡劣環(huán)境的電子設(shè)備熱設(shè)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(dǎo)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(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].艦船電子工程,2010(1):173.

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

[7]周旭.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[8]王連坡.電子設(shè)備熱設(shè)計與電磁兼容設(shè)計的協(xié)同設(shè)計技術(shù)[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(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計。顧海峰,男,高級工程師,研究方向：電子設(shè)備電訊總體設(shè)計。

TP274DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.034