電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)?

王連坡 顧海峰

（南京萊斯電子設(shè)備有限公司 南京 210007）

1 引言

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，電子設(shè)備應(yīng)用的場(chǎng)景原來越普遍。應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展就帶來了設(shè)備應(yīng)用環(huán)境的多樣性，而其中的氣候、機(jī)械、電磁、生物等惡劣環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備功能下降甚至失效。環(huán)境適應(yīng)性即“裝備在其壽命期預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境作用（如氣候環(huán)境、生物環(huán)境、機(jī)械環(huán)境等）下能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能和（或）不被破壞的能力，是裝備的重要質(zhì)量特性之一”［1］，其已經(jīng)成為考量設(shè)備功能的一個(gè)重要指標(biāo)。

設(shè)備環(huán)境適用性設(shè)計(jì)就是針對(duì)上述環(huán)境提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，主要從環(huán)境控制、環(huán)境隔離及加固設(shè)計(jì)方面進(jìn)行論證、設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)低成本解決設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性問題。

2 環(huán)境因素分類及影響

2.1 環(huán)境因素分類

按照環(huán)境因素的不同，環(huán)境可分為以下幾類：氣候環(huán)境、機(jī)械環(huán)境、電磁環(huán)境、生物環(huán)境。

2.2 主要環(huán)境因素影響分析

氣候環(huán)境主要包含高溫、低溫、濕熱、鹽霧等因素，氣候環(huán)境條件下可能使產(chǎn)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(wěn)定性發(fā)生變化或機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)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(jī)械環(huán)境

2.3.1 顛震和振動(dòng)

振動(dòng)破壞對(duì)產(chǎn)品造成的破壞有兩種形式［3］：一種是峰值破壞，即設(shè)備在某一外激振動(dòng)頻率作用下產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)響應(yīng)幅值超過設(shè)備的耐受極限而造成的破壞。另一種是疲勞破壞，雖然振動(dòng)響應(yīng)幅值未超過極限值，但在長時(shí)間重復(fù)應(yīng)力作用下，設(shè)備及其元器件、零部件因疲勞過度而導(dǎo)致破壞。

2.3.2 沖擊

沖擊是振動(dòng)的一種特例，它的特點(diǎn)是其瞬態(tài)性。這個(gè)特點(diǎn)表現(xiàn)為沖擊的激勵(lì)能量大，但很快就消失了，且重復(fù)次數(shù)少，因此它造成的產(chǎn)品破壞是以峰值破壞為主，疲勞破壞次之。

3 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)流程

電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)流程圖

4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

4.1 環(huán)境分析

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)設(shè)備的環(huán)境進(jìn)行分析，以確定環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的定量和定性要求，具體分析的內(nèi)容如下：

1）研制總要求；

2）收集的環(huán)境數(shù)據(jù)；

3）壽命期內(nèi)環(huán)境剖面。

4.2 耐氣候環(huán)境設(shè)計(jì)

電子設(shè)備耐氣候設(shè)計(jì)主要針對(duì)高溫、低溫、濕熱、鹽霧等環(huán)境條件對(duì)產(chǎn)品的影響。由于氣候因素對(duì)電子設(shè)備性能的影響較大，因此氣候控制設(shè)計(jì)成為軍用電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，尤其是其中的溫度因素。電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的基本任務(wù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要在設(shè)備承受外界各種環(huán)境、機(jī)械應(yīng)力的前提下，綜合運(yùn)用對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，最大限度地把設(shè)備產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。同時(shí)收集設(shè)備內(nèi)部元器件尺寸、封裝形式、功耗、熱阻等參數(shù)建立設(shè)備的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模型［5］，開展穩(wěn)態(tài)熱分析，計(jì)算設(shè)備內(nèi)部的熱流密度及溫度場(chǎng)的分布情況，并進(jìn)行故障預(yù)計(jì)及可靠性評(píng)估。圖1為某車載加固設(shè)備的溫度場(chǎng)分布圖。

圖1 溫度場(chǎng)分布圖

設(shè)備進(jìn)行耐高溫設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮設(shè)備的發(fā)熱功耗、熱源分布、環(huán)境溫度、允許的工作溫度，與失效率相適應(yīng)的元器件溫度極限、體積、重量、熱環(huán)境等因素，合理采用熱控制技術(shù)，盡可能選擇更簡單的冷卻方式，以提高系統(tǒng)可靠性。

該車載加固設(shè)備熱源主要來自主板板載的CPU及其他芯片，熱源分布相對(duì)集中，熱源熱流密度較大。根據(jù)熱源功率、分布及機(jī)箱的尺寸等因素，機(jī)箱的熱控制主要采取了傳導(dǎo)和對(duì)流兩種散熱結(jié)合的設(shè)計(jì)技術(shù)，即在熱源表面增加傳導(dǎo)散熱器，以降低熱源的熱流密度，同時(shí)整機(jī)安裝排風(fēng)風(fēng)扇，通過對(duì)風(fēng)道的優(yōu)化和風(fēng)扇風(fēng)冷的計(jì)算，確定設(shè)備的散熱技術(shù)路線，整機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)見圖2。

圖2 風(fēng)冷示意圖

進(jìn)風(fēng)風(fēng)量計(jì)算：

Q（CFM）=3.16×P/△Tf=1.76×P/△Tc

計(jì)算結(jié)果：

Q（CFM）=3.16×P/△Tf=1.76×P/△Tc=62.4CFM

按照冗余設(shè)計(jì)原則，實(shí)際上選用的風(fēng)扇需要大于此風(fēng)量。按照以上得到的結(jié)果，選用2個(gè)中速風(fēng)扇（單個(gè)風(fēng)量為41.49CFM），可滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 耐機(jī)械環(huán)境設(shè)計(jì)

設(shè)備振動(dòng)與沖擊設(shè)計(jì)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(yīng)根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件，對(duì)振動(dòng)沖擊條件進(jìn)行分解后，選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。

1）計(jì)算機(jī)主板加固設(shè)計(jì)

將計(jì)算機(jī)主板進(jìn)行剛性化設(shè)計(jì)，將主板通過螺釘與機(jī)殼多點(diǎn)連接，這樣主板受到的由于振動(dòng)沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力大部分被機(jī)殼承擔(dān)，使電路板的抗振性能大大提高。其次是去耦設(shè)計(jì)，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(dòng)中相互間將出現(xiàn)耦合，從而使固有頻率很寬。因此需要對(duì)主板上高的直立器件與主板灌封成為一個(gè)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(dòng)。

2）光驅(qū)加固設(shè)計(jì)

對(duì)振動(dòng)敏感的光驅(qū)采用獨(dú)立模塊化設(shè)計(jì)，并通過減振器安裝在機(jī)箱上，光驅(qū)采用一級(jí)減振，能更有效地緩沖隔離外部振動(dòng)沖擊能量對(duì)光驅(qū)的影響。

3）光纖卡、網(wǎng)卡加固設(shè)計(jì)

在光纖卡、網(wǎng)卡后端加裝固定支架并與橫梁連接，再將其彎角件與機(jī)箱安裝緊固，配合PCI插槽，這樣板卡在各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的自由度均被限制，使板卡與機(jī)架形成近似剛體，可以有效地抵抗因沖擊、振動(dòng)等各種機(jī)械力的干擾。同時(shí)也避免了板卡在某一激振頻率下產(chǎn)生振幅很大的共振，提高了板卡與計(jì)算機(jī)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(xué)仿真

（1）機(jī)箱結(jié)構(gòu)的剛、強(qiáng)度設(shè)計(jì)

動(dòng)力學(xué)仿真［7］計(jì)算前5階諧振頻率見表1。

表1 機(jī)箱各階諧振頻率

圖5 設(shè)備第一第二階振型

圖6 設(shè)備第三第四階振型

（2）模擬運(yùn)輸條件做隨機(jī)振動(dòng)分析［8］

一般情況下，鐵路、汽車運(yùn)輸條件頻率為5Hz～150Hz，設(shè)定隨機(jī)振動(dòng)的條件如圖7所示。

圖7 隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)圖

ANSYS分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 ANSYS分析結(jié)果圖

隨機(jī)振動(dòng)分析時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在Y向振動(dòng)時(shí)，其值為10.153Mpa，遠(yuǎn)小于鋁合金3303的屈服強(qiáng)度（約270Mpa～275Mpa），在此應(yīng)力下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生破壞，可見系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度完全滿足力學(xué)設(shè)計(jì)要求。

若需要采用減振設(shè)備時(shí)，減振裝置應(yīng)避開設(shè)備的固有頻率，以免發(fā)生設(shè)備共振而造成設(shè)備在使用中損壞。選用減振裝置應(yīng)根據(jù)設(shè)備重量、使用環(huán)境要求、減振裝置安裝位置及數(shù)量等因素綜合考慮。同時(shí)，為避免引起設(shè)備共振，選用減振裝置時(shí)應(yīng)計(jì)算設(shè)備的固有頻率，固有頻率的計(jì)算公式［9］為

4.4 耐電磁環(huán)境設(shè)計(jì)

耐電磁環(huán)境設(shè)計(jì)主要是指設(shè)備的電磁兼容性，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(yùn)行，并且不對(duì)其所在環(huán)境產(chǎn)生任何難以承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：限制干擾源的電磁發(fā)射、控制電磁干擾的傳播及增強(qiáng)敏感設(shè)備的抗干擾能力。

4.4.1 屏蔽設(shè)計(jì)

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(duì)裝置進(jìn)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。在屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮以下幾項(xiàng)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(jì)時(shí)，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

2）縫隙的電磁屏蔽設(shè)計(jì)。實(shí)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(shí)，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(shè)計(jì)。電子設(shè)備因通風(fēng)散熱、調(diào)控軸、表頭安裝及連接電纜等不可避免地會(huì)開制一些孔洞，電磁能量經(jīng)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(huì)隨著孔洞的增大而變小，一般來說，孔洞的尺寸應(yīng)小于λ/50，且不得大于λ/20。

4.4.2 接地技術(shù)

在電子設(shè)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(diǎn)的選擇，電路組合接地的設(shè)計(jì)和抑制接地干擾措施的應(yīng)用等方面都應(yīng)全面考慮。以下為減小電磁干擾所采取的接地技術(shù)設(shè)計(jì)。

1）減少接地點(diǎn)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(shè)備中有三種基本接地方式：懸浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地適用于低頻，多點(diǎn)接地適用于高頻。一般來說，頻率在1MHz以下可采用單點(diǎn)接地方式，頻率高于10MHz應(yīng)采用多點(diǎn)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(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。濾波器的安裝對(duì)其性能影響非常大，在使用濾波器時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1）濾波器金屬殼與機(jī)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(hào)；

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

5 結(jié)語

電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)涉及面很廣，需要解決的問題比較多，設(shè)計(jì)難度也比較大，但其作為電子設(shè)備主要的性能指標(biāo)，以及提高設(shè)備可靠性、延長使用壽命的重要手段必須加以重視。應(yīng)采用并行設(shè)計(jì)方法將環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)納入到總體設(shè)計(jì)當(dāng)中。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)在設(shè)備的研制初期就和電路、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，根據(jù)項(xiàng)目研制合同及設(shè)計(jì)方案積極采用先進(jìn)技術(shù)和較成熟的工藝對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，實(shí)行定期檢查和維修、積極收集以往產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性能力的各項(xiàng)數(shù)據(jù)也是提高后續(xù)軍用電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性的一種好方法。