电子设备环境适应性设计技术∗

王连坡 顾海峰

（南京莱斯电子设备有限公司 南京 210007）

1 引言

随着现代科技的不断发展，电子设备应用的场景原来越普遍。应用场景不断拓展就带来了设备应用环境的多样性，而其中的气候、机械、电磁、生物等恶劣环境可能会导致设备功能下降甚至失效。环境适应性即“装备在其寿命期预计可能遇到的各种环境作用（如气候环境、生物环境、机械环境等）下能实现其所有预定功能和性能和（或）不被破坏的能力，是装备的重要质量特性之一”［1］，其已经成为考量设备功能的一个重要指标。

设备环境适用性设计就是针对上述环境提出了相应的设计技术，主要从环境控制、环境隔离及加固设计方面进行论证、设计，以期实现低成本解决设备的环境适应性问题。

2 环境因素分类及影响

2.1 环境因素分类

按照环境因素的不同，环境可分为以下几类：气候环境、机械环境、电磁环境、生物环境。

2.2 主要环境因素影响分析

气候环境主要包含高温、低温、湿热、盐雾等因素，气候环境条件下可能使产品暴露的问题如下［2］：

1）电子器件损坏；

2）固定电阻阻值改变；

3）温度梯度不同和不同材料的膨胀差使电子线路的稳定性发生变化或机械结构发生破坏；

4）不同材料膨胀不一致使得零部件相互咬死；

5）材料尺寸全部或局部的改变。

2.3 机械环境

2.3.1 颠震和振动

振动破坏对产品造成的破坏有两种形式［3］：一种是峰值破坏，即设备在某一外激振动频率作用下产生振动，振动响应幅值超过设备的耐受极限而造成的破坏。另一种是疲劳破坏，虽然振动响应幅值未超过极限值，但在长时间重复应力作用下，设备及其元器件、零部件因疲劳过度而导致破坏。

2.3.2 冲击

冲击是振动的一种特例，它的特点是其瞬态性。这个特点表现为冲击的激励能量大，但很快就消失了，且重复次数少，因此它造成的产品破坏是以峰值破坏为主，疲劳破坏次之。

3 环境适应性设计流程

电子设备环境适应性设计流程见图1。

图1 环境适应性设计流程图

4 环境适应性设计

4.1 环境分析

环境适应性设计前应对设备的环境进行分析，以确定环境适应性设计的定量和定性要求，具体分析的内容如下：

1）研制总要求；

2）收集的环境数据；

3）寿命期内环境剖面。

4.2 耐气候环境设计

电子设备耐气候设计主要针对高温、低温、湿热、盐雾等环境条件对产品的影响。由于气候因素对电子设备性能的影响较大，因此气候控制设计成为军用电子设备环境适应性设计的重要内容，尤其是其中的温度因素。电子设备热设计的基本任务是在热源与热沉之间提供一条低热阻的通道，保证热量迅速传递出去［4］。结构设计要在设备承受外界各种环境、机械应力的前提下，综合运用对流、传导、辐射等结构设计技术，最大限度地把设备产生的热量散发出去。同时收集设备内部元器件尺寸、封装形式、功耗、热阻等参数建立设备的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模型［5］，开展稳态热分析，计算设备内部的热流密度及温度场的分布情况，并进行故障预计及可靠性评估。图1为某车载加固设备的温度场分布图。

图1 温度场分布图

设备进行耐高温设计时应综合考虑设备的发热功耗、热源分布、环境温度、允许的工作温度，与失效率相适应的元器件温度极限、体积、重量、热环境等因素，合理采用热控制技术，尽可能选择更简单的冷却方式，以提高系统可靠性。

该车载加固设备热源主要来自主板板载的CPU及其他芯片，热源分布相对集中，热源热流密度较大。根据热源功率、分布及机箱的尺寸等因素，机箱的热控制主要采取了传导和对流两种散热结合的设计技术，即在热源表面增加传导散热器，以降低热源的热流密度，同时整机安装排风风扇，通过对风道的优化和风扇风冷的计算，确定设备的散热技术路线，整机风冷系统见图2。

图2 风冷示意图

进风风量计算：

Q（CFM）=3.16×P/△Tf=1.76×P/△Tc

计算结果：

Q（CFM）=3.16×P/△Tf=1.76×P/△Tc=62.4CFM

按照冗余设计原则，实际上选用的风扇需要大于此风量。按照以上得到的结果，选用2个中速风扇（单个风量为41.49CFM），可满足设计要求。

4.3 耐机械环境设计

设备振动与冲击设计的一般方法有减弱及消除振源、去谐、去耦、阻尼、小型化及刚性化［6］。应根据设备的结构和环境条件，对振动冲击条件进行分解后，选择相应的设计方法。

1）计算机主板加固设计

将计算机主板进行刚性化设计，将主板通过螺钉与机壳多点连接，这样主板受到的由于振动冲击产生的应力大部分被机壳承担，使电路板的抗振性能大大提高。其次是去耦设计，主板上装有很多元件，除了主板本身的固有频率外，集成在主板上的元件都有各自的频率，因此在振动中相互间将出现耦合，从而使固有频率很宽。因此需要对主板上高的直立器件与主板灌封成为一个整体，这样从根本上消除了器件与主板之间的相互耦合振动。

2）光驱加固设计

对振动敏感的光驱采用独立模块化设计，并通过减振器安装在机箱上，光驱采用一级减振，能更有效地缓冲隔离外部振动冲击能量对光驱的影响。

3）光纤卡、网卡加固设计

在光纤卡、网卡后端加装固定支架并与横梁连接，再将其弯角件与机箱安装紧固，配合PCI插槽，这样板卡在各个方向运动的自由度均被限制，使板卡与机架形成近似刚体，可以有效地抵抗因冲击、振动等各种机械力的干扰。同时也避免了板卡在某一激振频率下产生振幅很大的共振，提高了板卡与计算机主板插槽连接的可靠性。加固示意图见图3。

图3 板卡加固示意图

4）力学仿真

（1）机箱结构的刚、强度设计

动力学仿真［7］计算前5阶谐振频率见表1。

表1 机箱各阶谐振频率

图5 设备第一第二阶振型

图6 设备第三第四阶振型

（2）模拟运输条件做随机振动分析［8］

一般情况下，铁路、汽车运输条件频率为5Hz～150Hz，设定随机振动的条件如图7所示。

图7 随机振动量级图

ANSYS分析结果如图8所示。

图8 ANSYS分析结果图

随机振动分析时最大应力出现在Y向振动时，其值为10.153Mpa，远小于铝合金3303的屈服强度（约270Mpa～275Mpa），在此应力下系统结构不会产生破坏，可见系统结构强度和刚度完全满足力学设计要求。

若需要采用减振设备时，减振装置应避开设备的固有频率，以免发生设备共振而造成设备在使用中损坏。选用减振装置应根据设备重量、使用环境要求、减振装置安装位置及数量等因素综合考虑。同时，为避免引起设备共振，选用减振装置时应计算设备的固有频率，固有频率的计算公式［9］为

4.4 耐电磁环境设计

耐电磁环境设计主要是指设备的电磁兼容性，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。

4.4.1 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［10］。

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地会开制一些孔洞，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。

4.4.2 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［11］。

4.4.3 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。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［12］；

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。

5 结语

电子设备的环境适应性设计涉及面很广，需要解决的问题比较多，设计难度也比较大，但其作为电子设备主要的性能指标，以及提高设备可靠性、延长使用寿命的重要手段必须加以重视。应采用并行设计方法将环境适应性设计纳入到总体设计当中。环境适应性设计在设备的研制初期就和电路、结构设计同步进行，根据项目研制合同及设计方案积极采用先进技术和较成熟的工艺对设备进行设计。此外，实行定期检查和维修、积极收集以往产品环境适应性能力的各项数据也是提高后续军用电子设备环境适应性的一种好方法。