电子设备结构总体设计＊

王连坡 刘 林

（1.中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007）（2.91202部队司令部 葫芦岛 125004）

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国的关注。随着电子技术适用范围的推广，设备的功能、体积、重量、运转可靠性以及对各种环境的适应性等诸多问题被纳入结构设计范畴。

设备是一个系统或一个功能集的载体，设备的形成就需要依附于结构总体设计。结构总体设计是以机械设计为基础，针对设计要求进行的多目标、多方案的优化设计。

结构总体设计的思想和方法是随着科技进步而不断发展的。20世纪80年代以来，随着现代计算机技术的快速发展以及CAD／CAE／CAM软件［1］的广泛应用，机械加工设备及加工手段的发展，结构总体设计产生了飞跃。

2 结构总体设计流程

2.1 结构总体设计

电子设备结构总体设计的主要依据是根据产品的技术条件和用户要求，对整个设备的组装进行系统构思，实现各个功能，满足产品的使用环境。电子设备的结构总体设计与普通产品的结构设计是一致的，依次是概念设计、结构初步设计、结构详细设计、样机试制、样机定型和批生产准备。结构总体设计主要过程如图1所示。

图1 结构设计组成图

2.2 结构总体设计的地位

电子设备结构功能复杂，使用环境特殊，结构总体设计的重要性要大于结构详细设计。结构总体设计决定结构详细设计的难度，对整个结构设计产生重要影响。当然，不能强调了结构总体设计的重要性就轻视了结构详细设计，两者是相辅相成的。没有单个零部件结构设计的可靠性就没有整体结构设计的可靠性。电子设备结构设计应从实际结构出发，由虚到实，由概念到实体，由整体到局部。

2.3 结构总体设计流程

早期的电子设备结构总体设计大多属于概念性和经验性设计，内容简单，分析和验证手段复杂单一，设计结果与分析结果往往有很大的差异。随着科技的进步，尤其是计算机的迅速发展，当代电子设备结构总体设计的内容越来越丰富，设计周期短，可靠性高，验证方式简单灵活，可大大减低整个项目的设计成本。

当代电子设备结构总体设计流程包括了概念设计和结构初步设计的主要内容，以实现设备满足使用环境和系统电气性能的要求。电子设备结构总体设计过程是实现多项技术指标的多目标多系列优化设计的过程，设计流程如图2所示。

图2 结构设计流程图

3 结构总体设计内容

结构设计范围设计力学、机械学、材料学、热学、化学、光学、声学、工程心理学、环境科学等多门学习，包含着相当广泛的技术内容，它已经形成了一门边缘学科，是多门基础学科的综合应用。电子设备的结构设计大致包括以下内容。

3.1 整机组装结构设计

整机组装设计也称总体设计。根据产品的技术条件和使用的环境条件，对整机的组装进行系统构思，并对各分系统和功能性单元提出设计要求和规划。

3.2 结构尺寸设计

在满足用户要求的前提下，根据内部电子元器件和各种装置所需的空间来确定设备的基本尺寸，尺寸系列尽可能的按照国家通用标准和定型尺寸，并考虑模块化、组合化、系列化解决安装的互换性。在使用英制尺寸标准时，注意公制和英制尺寸的标准对照和互换。

3.3 刚度和强度设计

根据产品的负荷大小、抗振动冲击要求来进行刚、强度设计验证，使其能经受得住正常使用可能出现的物理和化学作用的影响，必要时还应该进行试验验证。在进行刚度和强度设计时要考虑结构件的连接方式，是铣削加工成形还是采用拼装或者焊接方式等，有时还应采取防松的保护措施。同时，还要考虑结构件的结构形式，通过增加钣金件的折弯或肋、筋来增加结构件的刚强度等。

3.4 防护设计

恶劣的气候条件会引起电子设备中金属和非金属材料发生腐蚀、老化、霉烂、性能显著下降等各种损坏。结构设计时应根据设备所处环境条件的性质、影响因素的种类、作用强度的大小来确定相应的防护措施或防护结构，选择耐腐蚀材料，研究新的抗腐蚀方法。

4 结构总体设计的关键技术

电子设备是一项复杂的系统工程，在电子设备结构设计中主要包含了抗振动冲击设计、热设计、电磁兼容性设计等关键技术。

4.1 抗振动冲击设计

电子设备在运输和使用过程中会受到各种机械力的干扰，这些机械力的形式包括：振动、冲击、离心力、机构运动所产生的摩擦力等，其中危害最大的是振动和冲击。它们造成的危害主要有以下两种：

1）设备在某一激振频率下产生振幅很大的共振，最终因振动加速度超过设备所能承受的极限加速度而损坏；或者由于冲击所产生的冲击力超过设备的强度极限而使设备损坏。

2）振动加速度或冲击引起的应力虽远低于材料的静载荷下的强度，但由于长时间振动或多次冲击使材料疲劳，从而导致设备损坏。

电子设备抗振动、冲击设计一般采取如下两种措施：

1）加固设计。确定并加固电子设备结构上的薄弱环节，提高设备固有频率，使其允许冲击应力和疲劳极限高于其实际响应值。

2）采取隔振缓冲系统。对电子设备整机进行隔振缓冲设计，使外部激励通过隔振缓冲系统减弱后，传递给设备的实际作用力小于设备的允许值。

电子设备的抗振动、冲击设计虽然难度较大，但只要根据设备所处的机械环境，有针对性的去分析、研究，并尝试新的设计方法、新技术、新材料（工程塑料、碳纤维等）、新工艺，结合已有的成熟理论和设计经验，通过ANSYS等软件分析验证，就可以提高设备的抗振动、冲击性能。

4.2 热设计

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［2］。热设计主要利用上述的三种方式的一种或几种方式进行。

4.2.1 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，其计算公式为

式中：φ为热流量，W；λ为导热系数，W／（m·℃）；A为导热方向上的截面积为x方向上的温度变化率，℃／m。

4.2.2 热对流

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，℃。

4.2.3 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（5.67×10－8W／（m2·K4））；T为物体表面的热力学温度，K。

4.2.4 热设计原则

一般电子设备内部存在着大量的发热元器件，使得设备内部环境温度升高。高温对大多数电子元器件将产生严重的影响，它会导致元器件的失效，进而引起整个设备的失效。通过热控制的设计，采取使发热元器件散热冷却的措施来降低设备的温升，从而保证设备的可靠性。因此在结构设计时应注意考虑以下原则：

1）热设计要满足元器件降额应用对设备内部温度的要求。因此，一般电子设备的机内温度应设法控制在45℃～65℃范围以内，对功率密度大一些的设备也不应超过50℃～70℃范围；

2）整机的散热冷却方案应与设备的功率密度大小相适应。一般原则是当功率密度低于12.2kW／m3时，可选择自然冷却方案；当功率密度超过12.2kW／m3时，应选择强迫空气冷却技术；当功率密度超过43kW／m3时，则应选择水冷方案［3］；

3）对发热元器件采取散热措施时，要满足其对热阻的要求。一般原则是若发热元器件对热阻的要求大于30℃／W时，可不必采取散热措施；当对热阻的要求在2℃／W～30℃／W时，可采取散热器散热；当对热阻的要求在0.05℃／W～2℃／W时，则应采取轴流风机强制风冷散热等；

4）对设备内部的部件应合理布局：一般原则是发热量小或无源器件应放在设备的底部；发热量大、宽温的部件应放在设备的顶部，元器件与设备之间的距离最好大于35mm～40mm，以利于空气自然对流来散热。另外，对一些热敏感器件应该尽量避开热源，必要时可增加热屏蔽罩。

4.3 电磁兼容性设计

电磁兼容性是指器件、设备或系统在所处电磁环境中良好运行，并且不对其所在环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容性设计内容包括：限制干扰源的电磁发射、控制电磁干扰的传播及增强敏感设备的抗干扰能力。

4.3.1 屏蔽设计

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。屏蔽体是用以阻止或减小电磁能传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层，它可以是导电、导磁、介质的，或带有非金属吸收填料的。在设备的元器件和布局一定的前提下，屏蔽在电磁兼容性设计中就成为一项非常重要的内容。在屏蔽设计时，重点考虑以下几项措施：

1）屏蔽体材料的选取。屏蔽材料主要分为电屏蔽和磁屏蔽两种，在电磁兼容性设计时，应根据设备的具体使用环境合理的选取屏蔽材料

2）缝隙的电磁屏蔽设计。实践证明，当缝隙的最大线形尺寸等于干扰源半波长的整数倍时，缝隙的电磁泄漏最大，一般要求缝隙的最大线形尺寸小于λ／100波长，至少不大于λ／10波长［4］。

3）孔洞的电磁屏蔽设计。电子设备因通风散热、调控轴、表头安装及连接电缆等不可避免的会开制一些孔洞，电磁能量经孔洞泄漏，是屏蔽体屏蔽效能下降的重要原因之一。且屏蔽效果会随着孔洞的增大而变小，一般来说，孔洞的尺寸应小于λ／50，且不得大于λ／20［5］。

4.3.2 接地技术

在电子设备中，接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要手段，其中包括接地点的选择，电路组合接地的设计和抑制接地干扰措施的应用等方面都应全面考虑。以下为减小电磁干扰所采取的接地技术设计。

1）减少接地点之间电位差。

2）管形接地线。

3）保证接地线的电气连接可靠性。

4）接地方式的选择。在电子设备中有三种基本接地方式：悬浮地、单点接地和多点接地。单点接地适用于低频，多点接地适用于高频。一般来说，频率在1MHz以下可采用单点接地方式，频率高于10MHz应采用多点接地方式，频率在1MHz～10MHz之间，可以采用混合接地［6］。

4.3.3 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的减小传导干扰电平，利用阻抗失配原理，使电磁干扰信号受到衰减。滤波器的安装对其性能影响非常大，在使用滤波器时应注意以下事项：

1）滤波器金属壳与机箱壳必须保证良好的面接触，并将地线接好［7］；

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；

4）滤波器的安装位置应选在电源入口处，以缩短输入线在机箱内的长度，减少辐射干扰。

4.3.4 合理布局

合理布局包括系统内各单元之间的相对位置和电缆走线等，其基本原则是使感受器和干扰源尽可能远离，输出与输入端口妥善分隔，高电平电缆及脉冲引线与低电平电缆分别敷设。通过合理布局能使相互干扰减小到最小程度而费用又不多。

5 结构总体设计的辅助设计工具

建模与仿真是分析、设计和研究复杂系统的一种基本的理论方法和重要的技术手段。在电子设备结构总体设计中常用的CAD／CAE／CAM建模与仿真软件［8］有：

1）I－DEAS：I－DEAS软件是CAD／CAE／CAM一体化的机械设计自动化软件，集产品设计、工程分析、数控加工、注塑模具设计、产品性能仿真、样机测试和产品数据管理功能为一体。它贯穿了从概念设计到生产制造的产品开发全过程；

2）Flotherm与FloEMC：Flotherm与FloEMC软件是目前电子行业内唯一专业针对电子设备系统级散热和电磁兼容性协同设计仿真平台；

3）Icepak：Icepak软件是专业的面向工程师的电子产品热分析软件。

计算机仿真软件还有很多，比如ANSYS在力学与电磁场有限元分析方面，UG、Pro／Engineer在模具与机构仿真方面，3DSMAX、Solidworks在工业造型设计方面都具有一定的优势。

在电子设备结构总体设计中，总体设计师通过计算机仿真软件实现三维建模、工业造型设计、结构优化设计、力、热、电磁兼容性分析与仿真，可以减少设计成本、提高设备第一次成功率，改善电子设备的性能、提高设备的可靠性、所得设计的研制周期等。

6 结语

电子设备结构总体设计工作除了是一种技术工作，它还是一项管理工作。它要求结构总体设计师具备一定的总体协调能力，任务分解能力，这一点在系统级结构总体设备中表现的尤为突出。结构总体设计成功了，一个设备、分系统、甚至一个大系统的设计工作都将事半功倍。

［1］邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理［M］.南京：东南大学出版社，2005.

［2］丁连芬，等译.电子设备可靠性设计手册［M］.北京：电子工业出版社，1989.

［3］余建祖，高红霞，谢永奇.电子设备热设计及分析技术［M］.第2版.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［4］杨科俊.电磁兼容原理与设计技术［M］.北京：人民邮电出版社，2004.

［5］吴良斌.现代电子系统的电磁兼容性设计［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［6］王连坡.电子设备电磁兼容性设计［J］.舰船电子工程，2011，31（1）：160－162.

［7］芮平良，等.网络电磁空间防御作战能力需求分析［J］.指挥信息系统与技术，2011，2：4－5.

［8］王昌禄.计算机辅助机械设计与绘图FORTRAN语言实例.北京：机械工业出版社，1995.