恶劣环境下系统设备集成设计技术*

王连坡　顾海峰

(中国电子科技集团公司第二十八研究所　南京　210007)



恶劣环境下系统设备集成设计技术*

王连坡顾海峰

(中国电子科技集团公司第二十八研究所南京210007)

介绍了恶劣环境下的一种系统设备集成设计方案，主要从散热、电磁兼容性、抗振加固等方面进行了分析论证。

电磁兼容;散热;振动加固;系统设备

Class NumberTP274

1　引言

在一些大型系统的建设中，往往涉及显示、控制、数据处理、通信等分系统，每个分系统最终均依赖设备来实现，从而导致整个系统中需集成大量的硬件设备。由于系统功能的不断提升，要求系统设备具有较高的性能指标，同时，为了缩短系统的研制周期、提高系统的费效比，系统内部往往会集成大量的技术成熟的商用设备。商用设备一般都是工作在室内等条件比较友好的环境中。若系统工作在比较恶劣的环境如户外、沿海、岛屿等恶劣环境中，环境中的粉尘、盐雾、水蒸气等有害物质进入设备内部会大大降低设备性能，同时高温、低温、高湿等环境会大大加快设备的损坏过程。普通商用设备一般很难适应如此恶劣环境，从而导致系统性能下降或瘫痪。

为解决上述问题，目前通常的做法是将系统设备全部进行加固。系统设备全部加固往往会带来以下问题：1)系统设备加固存在较大的技术风险，可能会导致设备加固失败的结果； 2)系统设备加固会大大提高设备的研制费用，加固设备与普通设备的价格往往会相差几倍甚至几十倍； 3)系统设备加固会大大提高系统的研制周期； 4)某些系统设备先天不具备加固条件，强行加固可能会导致设备性能下降或损坏，从而影响整个系统的功能。另外，目前大部分系统设备集成方案仍旧是将设备按功能划分，以设备之间线缆连接数量决定设备的安装位置，往往是将显示控制设备与数据处理设备安装在同一个机柜或操控台内，随着系统性能不断提高，系统对数据处理设备的运算能力的要求也越来越高，受散热、电磁兼容等技术的制约，目前全加固的数据处理设备的性能往往不及商用设备，为了达到系统的性能要求，数据处理设备一般采用性能优良的商用设备。商用的数据处理设备与显示控制设备统一安装位置给系统设备加固带来新的困难。

2　分布式设计

为解决系统性能与环境适应性之间的矛盾，可采用一种分布式设计理念，即将部分成熟的、环境适应性强的加固设备直接暴露在环境中，另外一些商用的、环境适应性较差的设备安装在一个认为创建的微环境中，两者可通过光缆或网线进行物理连接，分布式设计设备布局如图1所示。微环境创建主要依赖与密闭式机柜，机柜可同时实现气密和电磁密封功能，机柜侧面安装的空调可调节机柜温度也同时防止了机柜内外空气进行直接对流交换。

图1　加固显示器外形图

3　关键技术

加固类设备已具备良好的环境适应性，本文重点讨论为一些商用类设备提供微环境的设计技术。微环境的构建主要依赖密闭机柜来实现，密闭机柜通过抗振设计、热设计、电磁兼容性设计等设计技术，为安装在内部的设备提供一个友好的工作环境。

4　热设计

4.1热控制的理论基础

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[1]。

4.1.1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[2]为

4.1.2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：

φ=hcA(tw-tf)

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，℃；φ为热流量，W；hc为对流换热系数，W/(m·℃)。

4.1.3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：

φ=εAσ0T4

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；φ为热流量，W；ε为物体黑度；A为辐射表面积，m2。

4.2热设计技术

密闭机柜内部集成了大量的数据处理类设备，设备发热量较大，热流密度最高可达20kW/m3，根据常用的热控制措施，应采用强迫风冷级别散热，根据美国军用标准《MIL-STD-454》要求，“除非水分和污染物用适当的装置除去，禁止用大气中吸入的空气直接气冷，在封闭循环冷却系统中可以用直接气冷方法”[3]，由于环境条件比较恶劣，密闭机柜采用了空调冷却，且空调冷空气和热空气完全隔离，满足不直接用大气进行冷却的要求。

5　电磁兼容性设计

5.1电磁兼容性理论分析

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。电磁兼容涵盖了电磁干扰和电磁敏感度。为实现系统内设备互不干扰、兼容运行，即要控制骚扰源的电磁发射，又要提高受骚扰对象的抗扰度。

电磁兼容性设计依据为系统内电磁环境及系统内设备的电磁敏感度。设系统内干扰源N的作用功率为Pin(n=1,2…)，而被干扰设备M能够承受的电磁干扰的容限为Prm(m=1,2…)，则干扰功率Pamn可用下式[4]决定：

Pamn=Pin×Kimn×Kpmn×Ksmn

(1)

式中：Kimn为干扰源N对被干扰源设备M产生干扰作用的有效作用系数；Kpmn为干扰源N对被干扰源设备M产生干扰的耦合作用系数；Ksmn为被干扰源设备M对电磁干扰的敏感度。

当干扰功率Pamn大于受干扰设备的容限Prm时，就需要采取措施改善电磁兼容性。当Pamn>Prm时，可以采取措施减小干扰源作用功率Pin或减小干扰源对被干扰设备M的干扰的有效作用的成分(即减小Kimn)，也可以采取措施降低干扰源N对被干扰设备M产生干扰的耦合作用系数Kpmn，如减小耦合电容，减小耦合电感或切断公共阻抗的耦合渠道；也可以采取措施降低被干扰设备M的电磁干扰敏感度Ksmn或提高被干扰设备的承受干扰的容限Prm。

5.2电磁兼容设计技术

密闭机柜电磁兼容性主要从合理布局、电磁屏蔽、滤波、接地[5]等方面进行了设计，具体如下。

5.2.1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。

5.2.2电磁屏蔽

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，常用金属材料的相对电导率σr和相对磁导率ur见表1。系统可能会受到低频磁场干扰，结合使用环境，此次密闭机柜主体材料选用了电导率和磁导率等比较高的不锈钢材料。

表1　常用金属材料对铜的相对电导率σr和相对磁导率ur[6]

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。缝隙的结构示意图和等效电路如图2所示。密闭机柜设计中，为减小缝隙的长度，主要采用了以下设计：

图2　缝隙示意图及其等效电路图

(1)合理布置铰链和锁舌数量，密闭机柜各安装了五个铰链和锁舌；

(2)采用导电柔性介质的屏蔽设计，在门板与柜体之间增加了导电指簧；

(3)增大接触面的屏蔽设计，机柜门板采用刀片式结构以增加接触面积。

5.3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。本次系统采用了两级滤波技术，即高频滤波器和低频谐波抑制器，在滤波器的安装时，采用以下技术：

1)滤波器金属壳与机柜外壳保证良好面接触，并将地线界好[7]；

2)滤波器输入线、输出线分开布置，拉开距离，切忌并行；

3)滤波器的连接线以选用双绞线，可有效消除部分高频干扰信号；

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

6　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地排出，在产品的设计过程中就不得不考虑到这些热问题[8]。

在密闭机柜设计中，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。密闭机柜的协同设计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。

6.1热对流与电磁屏蔽

为了密闭机柜的通风散热(空调致冷空气)，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，密闭机柜采用了在通风孔洞上增加截止波导的设计技术。

6.2热传导与电磁屏蔽

在密闭机柜内部，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，密闭机柜内部散热器接地处理采用了以下协同设计技术：

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。

7　结语

试验证明，该集成方案在环境适应性、电磁兼容性、可靠性及维修性方面的设计非常有效，尤其在信息化发展如此迅速的现在，分布式设计理念势必会成为一种趋势。

[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]徐伯遐.抗恶劣环境的电子设备热设计讨论[J].雷达与对抗,2000(1):50.

[4]冯慈章,马西奎.工程电磁场导论[M].北京：高等教育出版社,2002.

[5]王连坡,茅文深.电磁屏蔽技术在结构设计中的应用[J].舰船电子工程,2010(1):173.

[6]冯慈章,马西奎.工程电磁场导论[M].北京：高等教育出版社,2002.

[7]周旭.电子设备结构与工艺[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[8]王连坡.电子设备热设计与电磁兼容设计的协同设计技术[J].舰船电子工程,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

王连坡,男,高级工程师,研究方向：电子设备结构总体设计。顾海峰,男,高级工程师,研究方向：电子设备电讯总体设计。

TP274DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.034