电子设备协同设计技术＊

王连坡 李由朝

（中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007）

1 引言

20世纪中叶以来，无线电电子技术得到迅速发展，电子设备的结构设计开始引起世界各工业国的关注。随着电子技术使用范围的推广，设备的功能、体积、重量、可靠性以及环境适应性等诸多问题被纳入结构设计的范畴，使电子设备结构设计逐渐形成一门多学科的综合技术。20世纪中后期，随着大规模集成电路的出现，电子设备开始向小型、超小型等方向发展，结构设计中的一些传统的设计方法逐步被机电结合、光电结合等新技术所取代。目前，电子设备的结构设计主要包括以下内容：整机组装结构设计、热设计、结构的静力计算与动态参数设计、电磁兼容性结构设计、传动和执行装置设计、防腐蚀设计、连接设计、人机工程应用、可靠性试验等。

工业级和军用级别的电子设备，由于其使用环境特殊、可靠性要求高等特点，在结构设计中必须全面考虑设备的需求。虽然各个电子设备的要求不尽相同，但对结构设计来讲，以下几个设计内容都是必修要考虑的：热设计、抗振动冲击设计、电磁兼容性设计、环境适应性设计等，上述部分设计技术相互之间会存在矛盾，如设备为了散热需要开制通风孔洞，而这些通风孔洞恰恰就是电磁泄露的主要途径，而电子设备是同一个物理体，如何将这些设计技术合理的应用在同一设备中是对结构设计提出的一个新的课题，本文重点是以热设计和电磁兼容性设计这一对矛盾体的协同设计为例，并简单的阐述电子设备结构设计中的其他协同设计技术［1］。

2 电磁兼容设计技术

电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。换句话说，电磁兼容是指电子线路、设备、系统相互不影响，从电磁角度具有相容性的状态。相容性包括设备内电路模块之间的相容性、设备之间的相容性和系统之间的相容性。

2.1 电磁干扰的三要素

所有的电磁干扰都是由三个基本要素组合而产生的，它们是：电磁干扰源；对该干扰能量敏感的设备；将电磁干扰源传输到敏感设备的媒介，即传输通道或耦合途径。相应地对抑制所有电磁干扰的方法也应由这三要素着手解决。

1）电磁干扰源：指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或自然现象。

2）耦合途经（或称传输通道）：指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通道或媒介。

3）敏感设备：指受到电磁干扰影响，或者说对电磁干扰发生响应的设备。

2.2 电磁屏蔽

屏蔽、滤波、接地是电磁兼容设计中最常用的技术，而在设备的功能、内部元器件的布局一定的情况下，屏蔽设计就显得尤为重要了。

屏蔽就是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施。屏蔽的目的有两个，其一是限制内部辐射区域电磁能量的泄漏；其二是防止外部的辐射进入自身区域。屏蔽效能主要取决于屏蔽体的材料及结构形式，屏蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SE（Shielding Effectiveness）来度量。屏蔽效能是无屏蔽体时空间某点的电场强度E0（或磁场强度H0）与有屏蔽体时该点电场强度E1（或磁场强度H1）的比值，它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度。

电磁屏蔽是把屏蔽体看成是一个结构上完整、电气上连续均匀的金属板或全封闭壳体。当电磁波入射到屏蔽体时，电磁波将会以三种能量形式进行损耗。屏蔽体的屏蔽效能可用下式表示［2］：

式中，AdB为吸收损耗（dB）；RdB反射损耗（dB）；BdB为多次反射修正因子（dB）。

t为屏蔽体厚度（mm）；f为电磁波的频率（Hz）；ur为屏蔽体的相对磁导率（H／m）；σr为屏蔽体的相对电导率（S／m）。

上式（2）表明，吸收损耗AdB正比于屏蔽体的厚度，并随着频率、相对磁导率ur、相对电导率σr的提高而增加。常用金属材料的相对电导率σr和相对磁导率ur见表1［2］。

表1 常用金属材料对铜的相对电导率σr和相对磁导率ur

2.3 滤波技术

滤波技术是抑制电气、电子设备传导干扰的主要手段之一，也是提高电子设备抗传导干扰能力的重要措施。电磁干扰滤波器可以显著地减小传导干扰电平，利用阻抗失配原理，使电磁干扰信号受到衰减。

3 热设计技术

热量从高温区传递到低温区通常有以下三种形式：热传导、对流和辐射。

3.1 热传导

气体导热是分子不规则运动的结果，固体导热靠自由电子的运动完成，对于液体主要是由于弹性波的作用。热传导遵循傅立叶定律，其计算公式［3］为

3.2 对流

对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流换热可用牛顿冷却公式计算：

式中：φ为热流量，W；hc为对流换热系数，W／（m·℃）；A为对流换热面积，m2；tw为热表面温度，℃；tf为冷却流体温度，℃。

3.3 热辐射

物体以电磁波形式传递能量的过程称为热辐射。热辐射是辐射能和热能的相互转换过程，物体的辐射可用斯蒂芬－波尔兹曼定律表示：

式中：φ为热流量，W；ε为物体黑度；A为辐射表面积，m2；σ0为斯蒂芬 －波尔兹曼常数（5.67×010－8W／（m2·K4））；T为物体表面的热力学温度，K。

3.4 强迫空气冷却

强迫风冷散热是利用风机鼓风或抽风，以提高设备内部空气流动速度来达到散热目的的一种散热方式。其散热形式为对流散热，所依赖介质为空气。强迫风冷传热的体积功率可达0.429W／cm3，是自然冷却散热效率的30至40倍。强迫风冷的散热效果与风机类型、换热表面与冷风之间的换热系数等有关，而结构因素对强迫风冷的效果主要表现在以下几点［4］：

1）通风机的位置：抽风机一般都装在机柜顶部或上侧面，而鼓风机一般则安装在设备的底部或前侧面。

2）风道结构形式：具有平行风道的冷却系统，要求气流进入机箱后，形成高的静压和低的动压，以便提高冷却效果、降低出口和弯曲处的压力损失。为防止气流回流，进口风道截面积应大于各分支风道截面积总和，采用锥形风道结构形式，可以使风道中任意一点的截面积大于支风道的截面积，其示意图如图1所示。

3）元件的排列：为了提高冷却效果，在冷却气流流速不大的情况下，元件应按交错方式排列，这样可以提高气流的紊流程度，增加散热能力。

4）热源位置：由发热元件组成的发热区的中心线，应与入风口的中心线相一致或略低于入风口的中心线，这样可以使电子机箱内受热而上升的热空气由冷却空气迅速补充，直接冷却发热元件。

5）漏风的影响：机柜在强迫通风时，机柜缝隙的漏风将直接影响散热效果。从试验效果来看，当有缝隙存在时，抽风形式的冷却效果比鼓风好，缝隙小的冷却效果比缝隙大的冷却效果好。

6）增加紊流器：设备内部印制板的间距应控制在13mm左右［4］，为防止气流在印制板表面形成边界层，影响换热效果，应在印制板组装件气流流动方向的适当位置，加装紊流器，破坏边界层的生成，提高紊流效果，改善对流换热性能，其示意图如图2所示。

图2 紊流器应用示意图

4 协同设计技术

电子设备的共同特点就是设备在用电能提供动力的同时，要散发出热量，散发的热量及其电磁兼容性并不是我们所希望得到的，它们的累积，将给设备的正常运行带来很大的影响。为了将这些余热及时的排出，在产品的设计过程中就不得不考虑到这些热问题。

在结构设计中，散热性能与电磁兼容是电子设备性能完全不同的两个方面，但却由同一个物理结构确定。电子设备物理结构的改动可能既影响到散热性能，又影响到电磁兼容性能这两方面的设计综合考虑，首先确定了以通风散热为代表的热对流为设计的协同点，其次简要分析了热传导与电磁兼容的协同设计［12］。

4.1 热对流与电磁屏蔽

为了被屏蔽对象（设备、单元电路和元器件等）的通风散热，必须在屏蔽体上开设通风孔洞。电磁能量经通风孔洞泄露，是屏蔽体屏蔽下降的重要原因之一。

4.1.1 通风孔位置的选择

孔洞泄露与多种因素有关，如场源的特性、离开场源的距离、电磁场的频率、孔洞面积和孔洞形状等。对于一个固定的设备或单元，在内部元器件已经确定并且布局一定的前提下，正确选择通风孔洞的位置可以起到事半功倍的作用。通风孔洞位置选取的原则如下：

设备的进风位置应尽量选择在设备的底部或下侧面，出风位置应尽量选择在设备的顶部或上侧面，同时要兼顾内部通风风道的布局，避免出现气流回流或层流现象。

设备的通风孔应尽量避开原理设备内部大功率或高频率的元器件。根据电磁场理论，如图3［4］所示，电场与磁场均随离开场源的距离成反比的减小，所以在选择通风孔位置的时候，应尽量远离场源［11］。

图3 高阻抗场的电磁场大小和距离的关系

4.1.2 通风孔的结构形式

根据平面波反射理论，当均匀的平面波垂直入射到完整的屏蔽体（如图4［5］（a）所示）上时，入射场感应表面电流，该电流可以认为产生了反射场。反射场的极性必须使它能够抵消入射场以满足边界条件，即良导体的总的电场的切向分量必须为零。为了使屏蔽体达到这种抵消的目的，感应电流必须无阻碍流动。如果屏蔽体上的缝隙与感应电流的方向垂直，那么就会打断电流的流动，减小屏蔽效能。缝隙的宽度对此影响不大，如图4（b）和图4（c）所示。另一方面，如图4（d）所示，如果使缝隙的方向平行于感应电流的方向，那么缝隙对屏蔽机会没有影响。由于设备内部场源一般都比较多，且排列较为复杂，无法准确判断感应电流的方向，所以也就不能正确设置孔洞的方向，因此，在实际的设计中，我们经常采用大量的小孔来代替一个大孔，且圆孔的效果要优于方孔，如图4（e）［8］所示。

图4 缝隙对屏蔽体上感应电流的影响

4.1.3 通风孔的电磁屏蔽形式

在电子设备的结构设计中，为了使屏蔽体既能达到预期的屏蔽效能，又能确保良好的通风，通风孔常采用以下措施：

1）覆盖金属丝网

将金属丝网覆盖在大面积的通风孔洞上，能显著地提高屏蔽效能。金属丝网的屏蔽效能与网丝直径、网孔的疏密程度及网材的电导率有关。金属丝网结构简单，价格低廉，但当电磁场频率高于100MHz后，屏蔽效能开始下降，因此，金属丝网不适宜用于数百兆以上的高频。

2）用穿孔金属板做通风孔

由实验可知，孔洞尺寸愈大，屏蔽效能愈差。为提高屏蔽效能，可在满足屏蔽体通风量要求的条件下，用穿孔金属板代替大孔。穿孔金属板有两种结构形式：1）直接在屏蔽体上表面打孔；2）单独预制成穿孔金属板，再安装到屏蔽体的通风孔洞上。相对于金属丝网，穿孔金属板可以采用厚度较大的金属材料，得到较高的屏蔽效能。

3）截止波导式通风窗

金属丝网的屏蔽性能在频率高于100MHz后开始下降，穿孔金属板在甚高频时屏蔽效能同样要下降。在屏蔽要求较高时可以采用截止波导式通风窗。截止式波导通风窗对于低频磁场的屏蔽效能并不理想，100MHz以下的屏蔽一般不推荐使用。

4.2 热传导与电磁屏蔽

4.2.1 散热器材料的选取

散热器的目的就是降低芯片或设备的功率密度，即将发热源的温度传导递至具有较大表面积的散热器上，再配合强迫风冷或热管将热量传递出去。常用的散热器材料为导热性能优良的金属材料，如铝、铜、铁及其合金材料等。同时，这些金属材料也具有良好的导电性能，由这些金属材料组合的屏蔽体，对电磁波有很大的反射损耗，所以只适用于电屏蔽。电屏蔽体一般对各种频率都具有良好的电屏蔽作用。铁和高磁导率的合金体则对磁场波有很大的吸收损耗，所以用它们做成的屏蔽体，适合用在磁屏蔽环境。如果条件允许可用不锈钢制造具有很高可靠性的电磁屏蔽壳体。常用金属材料的导热系数和相对导电系数见表2［5～6］所示。

4.2.2 散热器的接地

在复杂的设备内部，集成了非常多的有源器件，其中不乏高频率的晶体模块等，裸露的散热器很容易产生电场或磁场耦合，若散热器没有良好的接地，很容易产生二次电弧放电现象，对设备内部造成损坏或毁坏。兼顾设备的电磁兼容性，散热器接地处理时应注意以下事项：

1）散热器尽量接地，且设备若无信号地和机壳地分离现象，则直接将散热器与机壳地良好连接，否则就必须将散热器与信号地连接；

2）若散热器无法接地，则散热器外形尽量平直，连接部位尽量平滑，避免出现锐角或尖端部位。同时，散热器与散热器之间的最小距离应该大于10mm。

4.3 滤波器的安装

滤波器的安装对其性能影响非常大，综合考虑散热和滤波效果，在使用滤波器时应注意以下事项［5］：

1）滤波器金属壳与机箱壳必须保证良好面接触，接触面必须为导电面，这样即可以保证电接触的连续性，又必须涂覆（热阻较大）层对热传导的影响；

2）滤波器输入线、输出线必须拉开距离，切忌并行，以免滤波器效能降低；

3）滤波器的连接线以选用双绞线为佳，它可有效消除部分高频干扰信号。

5 结语

在电子设备设计时，热设计与电磁兼容设计应贯穿整个过程，从设备外壳材料选取、内部元器件布局、散热形式的选择、孔洞的处理等方面综合考虑，统一模型。必要时运用设计软件Flotherm、FloEMC［7］等辅助分析，尽量优化设计方案，在设计周期的早期就发现并解决设计冲突，从而减少花费巨大的样机测试次数。同时，在热设计与抗冲击振动之间、电磁兼容设计与防腐蚀设计等也需在结构设计时统一考虑。

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