基于应用环境下的电子设备产品适应性结构设计

孙 涛，李海波

(西安爱科赛博电气股份有限公司,陕西 西安 710119)

0 引 言

随着户外电子设备应用场景的不断拓展，会遭遇到气候条件、地域因素、温湿度变化、机械冲击、电磁干扰(EMI)等多样性应用环境的挑战，存在着导致设备功能下降或失效的风险。为保障设备在产品生命周期内就上述可能遇到的各种环境作用下能实现其所有预定功能和性能不被破坏，产品的环境适应性设计已经成为考量电子设备功能的一项重要指标。

而就环境适应性所涉及的盐雾、潮湿霉菌、振动冲击、散热、EMI等问题的应对方案在设计论证层次而言，从环境控制、环境隔离到加固设计、布局优化等环节，都受制于产品结构设计的协同实现，其设计方案和结构方案也往往深度耦合且强相关。产品适应性设计的盲区往往出现在多个学科业务领域边界缺乏关注的外延部分，这也是产品适应性设计的痛点。设计活动中出现的问题，往往越是在早期解决越能有利于产品的实现。所以在产品方案初期，就应用环境对设备影响和危害进行分析，重视结构方案设计与各业务领域的相关性，以之为切入点，对业务盲区进行梳理，对后续产品的适应性设计能够起到提纲挈领的作用。

1 设备应用环境的分类及影响

依照电子设备使用环境的不同，环境因素可以分为受控与非受控环境、地域环境、力学环境和电磁环境。这些应用环境对电子设备的影响如下：

1.1 受控与非受控环境

依照对电子设备的影响,自然环境可分为受控环境和非受控环境。受控环境也称为A类环境，指设备工作在温度受控的室内或者有人居住的房间，空气相对湿度可控制在65%以下的环境。而非受控环境又分为B类环境、C类环境和D类环境。B类环境指设备工作在一般室外环境，有简单遮盖，湿度偶然会达到100%，温度不受控，但没有高盐分空气或污染物影响的环境。C类环境，指设备暴露在陆地上，距地面2～3 km，有冶炼、煤矿、热电、化工等污染源，或离海洋0.5～3.7 km的高盐分的陆地环境。D类环境，指设备距离海岸线500 m内，暴露在海上或海岸边大气中，受到风吹日晒雨淋的室外环境。

在非受控环境下，设备影响在于潮湿、盐雾、霉菌引起的化学腐蚀、电偶腐蚀和有机腐蚀，导致的设备结构电气理化性能损伤。以电偶腐蚀为例，设备工作时，由于温湿度变化，内部产生凝露，积聚后吸附含外界盐分、金属离子粉尘成为带电解离子的腐蚀溶液；当设备不同器件金属表面间存在电位差，并在该处发生凝露汇集时，带电解离子的腐蚀溶液在金属间搭接产生回路，形成电偶腐蚀。短时间内即可造成钣金结构、器件的快速锈蚀、短路、失效。

潮湿环境下霉菌的危害在于其能够对电气的绝缘材料进行直接或间接的侵蚀，霉菌能分解材料，并作为自己的养分，这会导致导致设备材料的劣化，如聚氯乙烯制品、聚氨酯(某些聚酯和聚醚)、有机填充材料的塑料。这种直接或间接的侵蚀还会导致电子和电气系统的损害，在绝缘材料上形成不希望有的导电通路，并对精密调节电路的电特性发生影响。

1.2 地域环境

地域环境对电子设备的影响主要体现在海拔因素。海拔高度上升会导致大气压和空气密度下降，引起电子设备的风机、空调散热和冷却性能衰减。气压降低又导致以空气为绝缘介质的设备绝缘性能下降，为消除放电，使产品符合安规要求，必然就设备电气间隙距离进行调整，从而导致电气安规距离提高。影响分别如图1所示。

图1 海拔高度对电子设备散热和安规设计的影响

其次为伴随高海拔太阳辐射热效应，与高温产生热效应机理不同，太阳辐射热效应具有方向性的热梯度，当设备各类器件材料和部件以不同的速率和膨胀或收缩，会产生严重的应力并破坏器件结构完整性。太阳辐射的紫外线部分还会产生光化学反应，导致织物、塑料变色，涂层开裂、变色、粉化，天然橡胶、合成橡胶等聚合物的劣化。

1.3 力学环境

当设备为车载、舰载、机载环境，或在运输、装卸条件下都会存在冲击和振动。冲击会直接对设备结构和功能产生影响，冲击的响应分量由施加在设备上外部激励环境的强迫响应分量和随后的设备固有频率响应分量组成。冲击易导致结构件过应力，产生永久变形，加速疲劳，导致晶体、陶瓷、环氧树脂、玻璃封装器件破裂、失效。而振动导致设备及内部结构产生动态位移，其位移及相应的速度、加速度会引起结构件疲劳，导致器件松动、断续接触和功能损坏。

具体案例如图2所示[1]，在振动激励作用下，垂直于轴向的印制电路板面，加速度使其产生偏移，前后弯曲，导致固定器件与电路板的引线产生弯曲应力。印制电路板、器件本体、引线间发生相对运动产生动态应力。在该环境下,大多数器件的失效都是由焊点开裂、密封破坏、引线断开而引起。当耦合谐振出现在器件或印制电路板中时，这种相对运动最为严酷。

图2 典型安装的印制板在振动时引起的元器件引线弯曲

1.4 电磁环境

主要是针对器件、电路板、设备、系统在电磁环境下运行时发生的电磁干扰问题。当多个高精度、高灵敏的电子设备安装于狭小紧凑的空间(如车载、舰载和机载环境)里，设备间产生相互干扰，影响敏感设备的正常工作，导致装置、设备或系统性能下降。

电磁干扰形成的3个要素是干扰源、传播耦合通道和敏感设备。干扰源发出的电磁能量，通过某种耦合通道传输至敏感设备，导致敏感设备出现某种形式的响应并产生效果，其过程和影响称为电磁干扰效应。当干扰导致设备和系统失灵，可能会引起严重事故。

2 就环境适用性开展结构方案设计的前提

环境适应性设计的前提，是整个产品设计团队就应用环境对设备影响和危害有充分的认识，对各自业务领域的功能指标服从于整体环境适应性指标的认知高度一致，这也是后期产品顺利就结构方案开展环境适应性设计的保证。就整体功能指标、结构质量特性、气候环境特性、耐机械冲击、热设计特性、电磁兼容特性等各指标之间的相关性或者耦合特性进行分析，按照表1相关性由弱到强地进行结构环境适应性解耦设计。

表1 环境适应性指标特性的相关性强弱分析

注：+，强相关;-，弱相关

3 环境适应性下的结构方案设计

3.1 非受控环境下结构设计

就非受控环境下的电子设备结构部件，按照设计用途、适用环境等级，其材料及紧固件选型、表面涂覆工艺处理必须与设计应用环境相一致。

当设备工作在户外，暴露于自然环境，受到风吹日晒、雨雪冰雹直接作用的机械结构件称为I型结构件。反之，处于设备内部只受到间接影响的结构件称为II型结构件。工作在B类环境下的I型结构件可采用热镀锌钢板，外表不能有切口和焊缝，表面喷涂室外粉末涂层；当设备结构属于直通风时，其紧固件表面处理工艺为镀锌镍；或选用常见的镀彩锌、黒锌工艺紧固件。

C类环境下的I型结构件和螺纹紧固件可采用奥氏体不锈钢06Cr19Ni10或443，表面钝化。当不锈钢与铝锌基材的零件接触时，为避免电偶腐蚀，不锈钢表面应进行喷粉或作锌铝涂层绝缘工艺处理。

D类环境下I型结构件的材料选型和表面处理工艺与C类相同，但螺纹紧固件应为022Cr17Ni12Mo2，当设备内部相对湿度不能控制在65%以下时，结构件严禁设计为户外直通风。当为车载或舰载时可采用铝合金件，表面采用阳极氧化、聚氨酯清漆或采用导电氧化处理，选用锶黄底漆，然后再喷面漆。

3.2 器件三防工艺、灌封材料选型和结构防腐蚀设计

当设备工作于非受控环境下时，仅靠箱体或柜体的表面防护设计，对设备内部器件的防护是有限的。为保证器件可靠性，首先要对调试后印制板和功率模块作三防涂覆工艺处理。在被涂覆物表面生成一层20～200 μm的保护膜，使被涂覆物与周围环境进行隔离。但它不耐振动冲击，膜层间有针孔，不能完全耐水汽侵蚀，仅适用于一般大气环境和舱内电子设备。

对暴露在湿热、盐雾和霉菌环境下的器件，还需要采用环氧树脂、有机硅或聚氨酯等灌封材料对电子器件进行封装，与环境彻底隔绝，保证电气性能不受影响。灌封材料选型时要考虑材料理化特性并权衡被灌封器件的维修性和可靠性。环氧树脂性能稳定、附着力强、耐绝缘、耐磨和强度高，灌封后尺寸稳定和耐辐照性较强。缺点是弹性韧性不足，脆性大，固化时有内应力，有导致脆性器件开裂的可能,且封装为一次性，灌封后无法拆装，不可维修，适用于高压变压器类可靠性较高的元件。有机硅凝胶和聚氨酯属于弹性封装材料，综合性能好，易拆装，可维修性强，适用于复杂电路、印制板、模块类器件。

为降低腐蚀环境对设备的影响，户外结构件表面形状应简单、光滑、避免尖角；为避免内部积水、凝露、湿气和腐蚀介质，底板应设计一定的倾角，可以排露排液。不同金属的搭接表面，I型结构件表面金属电极电位差应控制在0.25 V以内；Ⅱ型结构件电极电位差应控制在0.5 V以内，以避免电偶腐蚀。对不满足电位差要求的金属，必须搭接时，可选择涂覆绝缘保护层、增加绝缘衬垫、填充密封胶或镀覆过渡金属层处理。

3.3 振动冲击环境下的隔振机理及结构加固设计

抑制振动和冲击的方法有消除振源、去谐、去耦、阻尼、小型化和刚性化。评价结构系统隔振性能的参数为振动传递率。当以图3所示的单自由度系统在简谐激励力作用下的稳态响应分析定义传递位移和扰动位移的比值时，传递率TX为：

(1)

图3 单自由度隔振系统传递率的频率特性

图4 机箱PCB二自由度的隔振系统

以图2、图4所述机箱内印制电路板为例，对振动环境下的机箱PCB加固设计，应就系统固有频率设计进行规划，在机箱固有频率的分析阶段，按照激励的传递通道考虑采用倍频程法对机箱、PCB的固有频率隔离，即机箱与PCB的固有频率应以大于2∶1的比值进行设计。作为质量1的机箱具有100 Hz的固有频率，质量2的PCB应具有大于200 Hz的固有频率。合理设计机箱盖板、底板、侧板和前后面板的截面尺寸，优化惯性矩，控制单位长度质量，对刚度薄弱的部分增加壁厚，调整横截面积，提高惯性矩，采用加强肋提升机箱的刚度。同理，PCB组件可通过小型化控制锁紧螺钉的间隔，增加锁紧螺钉个数，在PCB主板设置加强筋，采用刚性灌封材料环氧树脂进行封装都可以提升和控制PCB组件的基础频率。

采用计算机辅助工程(CAE)的有限元动力学模态分析就振动环境下结构方案开展固有频率设计和验证是很有必要的。某舰载电子设备在机箱设计阶段的动力学模态仿真前6阶谐振频率特性(见表2)，部分振型如图5所示。

表2 机箱前6阶谐振频率特性

图5 机箱第一第二第六模态振型

经过分析可知，机箱的一二六阶谐振位置均发生在盖板，其振型分别为上下弯曲的半正弦波、全正弦波、有2组零位移的波节点的正弦波振动。机箱的一阶谐振频率取决于组件盖板的刚度。在控制机箱质量的前提下，对盖板非外观面背面采用局部添加强筋的优化方案如图6，优化后机箱前6阶谐振频率特性和部分振型如表3和图7。

图6 机箱盖板优化方案

表3 盖板加固优化后机箱前6阶谐振频率特性

在动力学环境下，低阶固有频率因模态有效质量较高，对系统的动力学性能影响最大，高阶谐振频率因模态有效质量小，激发后产生的谐振对系统的损伤影响也小。由图7可知，盖板优化后，机箱的基础谐振频率提升了约1倍有余，其余5阶也有较大幅度的提升，机箱整体刚度明显改善。同理对机箱前后进出风板采取类似加固方法，系统整体刚度仍会有较大的提升空间。

图7 机箱第一第三第六模态振型

机箱常见振型主要以弯曲、扭转和上述两振型的耦合为主，振型耦合后谐振频率会明显低于振动谐振频率和扭转固有频率，机箱会出现较大的位移和应力，导致材料寿命缩短。故机箱设计时应消除耦合，在振动冲击量级较高的环境下，对机箱尽可能全约束；避免使用简单的滑轨限位结构。内部器件选型应高度尺寸相近，避开高重心元件，机箱安装架高度应高于机箱重心，机箱高度与宽度的取值不超过0.5。

3.4 环境适应性下的热设计及EMC耦合设计

户外电子设备要能够耐受自然环境温度和气候变化，并具备一定的热设计裕量。热设计的目的是通过采用恰当的方法控制设备内部器件的温度，使其在工作环境温度下不超过稳定运行的最高温度，保证设备长期运行的安全性和可靠性。对IGBT、SRC和MOSFET可控硅元件，通过器件选型，确定降额因子，使器件芯片结温工作在允许的使用范围，承受的热应力低于其额定值，达到延缓参数退化的目的。对变压器、电抗器类应保证其工作时温升不超过对应的绝缘和阻燃材料的设计要求。

在项目立项阶段，结构设计即应参与到产品热设计的概念设计环节，确定冷却方式为强迫风冷或自然冷却。冷却方式不同，结构方案的布局会有很大的差异。当系统设计为风冷时，规划内部器件布局、风道设计，应优先保证发热量较低的器件和敏感功率元件置于风道进风侧，非敏感负载(变压器)放在风道的出风口侧。基于设备理论满载功率和效率，确定热损耗值W，评估设备进出口温升ΔT，对应风冷系统的风机PQ特性曲线中级风量参数Q应满足；

Qactual=W/ρCpΔT

(2)

Qfan=(1.5～3)Qactual

(3)

风冷系统的风阻特性导致风机产生的静压损失ΔP可以通过下式估算:

(4)

ω0=Qactual/Aoutlet

(5)

式中:ρ为对应环境温度下的空气密度;CP为对应环温下的空气定压比热容;ζ为风道阻力系数;Qactual为风机实际出风量；Aactual为风机出风口横截面积;ω0为流经风道的风速。

其中,风道的各部分阻力系数值详见文献[3]。依据风机实际风量在预选风机的PQ曲线查到的静压必须大于式(8)估算的ΔP，否则风机重新选型。就系统设计温升，对户外设备可避免太阳直射或其他热源的辐射时，控制在10～15 ℃，当无法避免太阳直射时，系统设计温升应控制在10 ℃以下。

当户外设备选择自然冷却式时，大多在于设备同时有明确的EMC耦合要求而非器件热流密度较小。出于屏蔽机理,以密闭金属壳体为屏蔽结构，采用功率元件表面贴附金属结构件表面传导散热，同时并联增加功率元件组数，降低器件热流密度；结构件采取黑色阳极氧化和磨砂工艺，增强热辐射散热能力。因这一方案传热路径热阻较高，仅适用于屏蔽内部电流密度较小的情形。当设备热流密度、屏蔽效能、屏蔽频率要求都比较高时，应选择穿孔金属板或者截止波导式的空气自然对流或强迫风冷屏蔽方案。但前提是应对其屏蔽效能进行选型评估。穿孔金属板的屏蔽效能为[4]：

ES=A+R+B+K1+K1+K2+K3

(6)

式中:A为孔的吸收损耗;R为孔的反射损耗;B为多次反射修正因子;K1为孔洞数目修正;K2为低频穿透修正;K3为孔间相互耦合修正。

截止波导的屏蔽效能为[4]:

ESΣ=ES1-20lgN

(7)

式中:ESΣ为截止波导通风板的总屏蔽效能;ES1为单根截止波导的屏蔽效能;N为截止波导的总数。

确定对应穿孔金属板或截止波导的孔径参数和开孔率后，依据风冷系统风机的选型方法,计算风道总体阻力系数，确定风机型号。在项目设计阶段,对热设计有耦合要求和存在EMC的情况应开展理论计算、误差分析、计算流体动力学(CFD)和EMC耦合仿真模拟的前期论证,并结合测试阶段的设计验证测试和设备验证多个环节进行分析验证。

4 结束语

电子设备基于应用环境的适用性设计涉及学科和业务领域比较多，复杂度较高，但作为电子设备的重要性能指标，在项目规划中必须予以保证和重视。在项目初期就环境适用性开展总体设计分析，结构与电气应就业务边界的交叉领域、盲区予以识别，采取并行设计和统筹设计结合的方法，依据项目合同研制任务书对产品各项功能指标进行分解、细化；采用先进的设计技术和工艺，并就项目技术成熟度进行论证，确保产品环境适应性指标的方案设计文件可靠，研制项目顺利实施和交付。此外，对前期同类产品的定期检查和维修性、可靠性数据的收集、归纳整理也有助于提高后期新项目产品的环境适应性设计的可行性。