加固电子设备结构设计

刘鹏飞

(山西大众电子信息产业集团有限公司研发中心系统工程研究所，山西 太原 030024)

电子设备加固通常包括电磁兼容加固,抗振动冲击加固，抗高低温和三防(防霉菌、防潮湿、防盐雾)加固等。对电子设备的加固主要取决于具体的使用场景。

1 电磁兼容性加固

在了解电子设备的干扰源、被干扰对象、干扰途径的基础上，根据实际情况，采取相应措施抑制干扰源，消除干扰途径，提高抗干扰能力，以满足电磁兼容性要求。

1.1 屏蔽措施

常用金属和其他导电材料制造成密闭箱体形成屏蔽体，实现电磁屏蔽。大部分电磁兼容问题都可以通过此方法解决[1]。

1.2 常用材料

在实际设计中，考虑到金属材料的机械特性和加工条件等因素，通常采用钢板、铝板或铜板。加固电子设备常采用铝合金，因其导电性好且质轻，强度高不易变形，铣削加工精度高。

对于用金属材料制造的屏蔽体，在电磁屏蔽设计中都存在缝隙问题。透过孔缝的电磁泄露使电磁屏蔽效能减小最为严重。

1.3 孔缝的屏蔽

箱体的孔缝是影响屏蔽完整性的主要因素。实际生产过程中，箱体上的开关、插座等安装孔和箱体接合处的缝隙都会造成箱体屏蔽的不完整性。改善这些孔缝的导电连续性在结构设计中是至关重要的。

1.3.1 孔的屏蔽

在对没有翻转结构的加固显示器、加固主机等进行结构设计时，对于箱体上的开关、插座等安装孔在箱体喷漆时对安装孔周边进行绝缘处理，在安装开关、插座等电器件时要在电器件与箱体之间加导电橡胶垫,保证箱体的屏蔽完整性。具体结构如图1所示。

图1 安装孔屏蔽示意图

在对有翻转结构的显示模块、笔记本等进行结构设计时，除了上述对电器件安装孔的处理外，还需要对翻转结构部分的过线孔进行屏蔽处理。首先线缆要用金属防波套包裹，用金属结构件固定到过线孔的相应位置，安装完成后需保证箱体接合面的平整度。然后线缆与箱体之间的缝隙要用导电硅橡胶(导电硅橡胶固化后富有弹性，不易脱落后续不会对箱体内部电路造成影响)进行填充。具体结构如图2所示。

图2 过线孔屏蔽示意图

箱体外部的线缆要在金属防波套外包裹导电屏蔽布，减少防波套上孔缝的影响。最后用绝缘防水自粘带对外部线缆进行加固，防止屏蔽布脱落。具体结构如图3所示。

图3 外部线缆屏蔽示意图

1.3.2 缝的屏蔽

加固显示器、主机、笔记本等箱体的接缝处理方式一样。在进行结构设计时要满足以下要求：1) 增加接缝处箱体的接触面积；2) 设计止口；3) 接触面加入导电胶条或金属丝硅胶垫，实现缝的电磁屏蔽。具体结构组成如图4所示。

图4 接缝屏蔽设计

1.4 显示窗口的屏蔽

箱体的显示窗口是电磁屏蔽的薄弱环节。显示窗口一般使用镀膜屏蔽玻璃或者丝网屏蔽玻璃。镀膜屏蔽玻璃透光率高，屏蔽效能较低；丝网屏蔽玻璃透光率低，屏蔽效能高。两者安装方式也不同，镀膜屏蔽玻璃在安装时需用铜箔把玻璃导电面与箱体搭接，以保证玻璃与箱体的屏蔽完整性；丝网屏蔽玻璃在安装时需用导电橡胶条把玻璃四周的丝网裙边固定到显示窗口周边的导电槽中，为了确保屏蔽的完整性可以使用两道导电槽并用压框固定玻璃和丝网裙边。在进行结构设计时，根据设备的具体要求，选择合适的屏蔽玻璃。具体结构组成如图5、6所示。

图5 镀膜玻璃安装示意图

图6 丝网玻璃安装示意图

1.5 滤波屏蔽

为了防止电磁干扰信号通过电源线传导和发射，在电源输入端安装滤波器。电源输入端的电缆与箱体的转接处采用屏蔽航空插座，必要时可在电缆上加装磁环。这样处理可以减少经电源线传入的电磁干扰，达到良好的屏蔽效果。

1.6 接地

接地是电子设备正常工作的基本技术要求之一，也是电磁兼容性能高低的关键因素。良好的接地是改善设备或系统电磁兼容性能的一种有效而经济的方案。

不同类别的信号线避免混杂接在一个连接头上，宜按类别分类并接地隔离。电缆都要包裹金属防波套进行屏蔽隔离，且屏蔽层要分别接地。各种信号源和放大器等易受电磁干扰的电路应安装屏蔽罩。

2 抗振动冲击加固

加固电子设备工作环境恶劣，其工作环境条件包括机械振动、冲击、摇摆、颠振等，其中危害最大的就是振动和冲击。为了保证设备可靠性，必须在设计时考虑设备的抗振动、冲击加固，使其适应工作环境。

在进行电子设备的抗振动冲击设计时主要采用结构的刚性化设计，通过提高对振动敏感的器件的固有频率来增强其抗振动冲击的能力[2]，主要包括：

1) 箱体采用铝合金制造，刚度大，从而提高固有频率；

2) 对液晶屏模块单独进行隔振缓冲设计；

3) 对于控制板卡，通过增加安装孔数量，合理布局，提高抗振动冲击能力；

4) 箱体内的电缆，要合理设计走线并进行捆扎固定。

2.1 液晶屏模块隔振缓冲设计

液晶屏是大而薄的片式结构，对振动很敏感，是加固设计中的重点。对液晶屏一般采用刚度强化和隔振缓冲设计。刚度强化主要是将液晶屏通过刚性连接固定在铝合金制成的减振框内，提高液晶屏的固有频率，从而增强抗振动冲击的能力。隔振缓冲设计是在液晶屏模块与箱体面板间加装一圈缓振材料，同时能起到密封作用，保证显示区域的洁净。缓振材料一般采用导热胶垫或橡胶垫。具体结构组成如图7所示。

图7 液晶屏隔振缓冲设计

上述措施可以满足大部分液晶屏的隔振缓冲设计。对于其他更加严格的振动冲击要求，除了上述措施外，还需要在液晶屏模块与箱体面板间安装减震器。减震器一般均匀对称布局，这样才能使减震器发挥作用，起到隔振缓冲的目的。

3 散热设计

电子设备的散热设计，就是根据传热学的基本原理采用传导散热、对流散热及辐射散热等手段，使设备的工作温度不超过其极限温度，从而保证电子设备的可靠工作[3]。

3.1 箱体的散热设计

电子设备的箱体是接受设备内部的热量，并将其散发到周围空气中的一个机械结构。箱体的材料用导热性能好的金属(如铝合金)，这样箱体内部的热量可以通过内部的金属结构件传导给箱体。箱体通过对流和辐射将热量散发到周围的空气中。

选择合适的箱体表面状况，增强辐射能力。必要时可在箱体上开通风孔，加强对流散热能力。通风孔进出口开在温差最大的两处。

3.2 内部元器件的散热设计

内部元器件进行贴壁处理，在箱体外侧相应位置设计散热槽，箱体通过对流和辐射将热量散发到周围的空气中。对不能贴壁的发热元器件安装散热器。对于功耗高，热量集中的元器件，可加装热管。热管安装时紧贴箱体内壁，热管上的热台紧贴热源，两个接触面都要涂抹导热脂，保证充分的热传导。

4 结束语

加固电子设备的结构设计涉及到很多方面，每一方面都需要深入研究。在实际设计过程中，要理论结合实践，运用新材料和新技术，不断提高设计水平，保证设备的可靠性和稳定性。