系统(整机)防护设计

1、 图1-1 工控机系统（主机、显示器、键盘、鼠标）EMC加固前的测试曲线 图1-2 一体化便携式计算机EMC加固前的测试曲线 计算机是一套数据处理和存储系统，它的主要线路由脉冲数字电路和工作于开关状态的电路组成。由于它所处理的是脉冲信号，因而易受外界脉冲干扰的影响，同时它也向外界产生干扰脉冲。由图1-1可以看出，计算机系统的辐射频率处于很宽的频谱范围，包括长波、中波、短波、米波、分米波等很宽的波段，与电力设备、广播、电视、通信、雷达等设备的基本工作波段相同，因此它工作在一个相当复杂的工作环境。这些干扰主要来自射频干扰、工频电源干扰、静电干扰及雷电脉冲干扰等，它们都会使计算机出现运行错误或故障，

2、甚至破坏机内某些部件，因此它是一套敏感设备；而计算机所产生的寄生辐射和传导所造成的电磁泄漏又是外部敏感设备的噪声源，其中CPU、内存、I/O接口、时钟、视频、字库、传输线、电源线等部位都有较强的电磁辐射 图1-4 主机机箱后视图 图1-5 滤尘防电磁干扰屏蔽通风板图1-9 某微机系统电缆连接示图图1-13 电缆中的差模电流IDM和共模电流ICM图1-26 两种电源滤波器的安装方法B.最佳地线方式和元器件布局技术用较好的地线系统和元器件布局来减小电磁干扰(EMI) 地线是所有减小电磁干扰措施中最重要的环节，这是因为地线相对电回路而言为低阻抗参考点或面，电磁干扰信号很可能会通过地线产生耦合和传导。

3、严格分隔数字地与模拟地，并且将它们连接于一点(必须是良好的相对参考点，即低阻抗的大地点机壳地)，或通过铁氧体磁珠和“0”欧姆电阻连接于多点。当需要在一块电路板上布置快速、中速和低速逻辑电路时，应按图1-29布置，高速的器件(快速逻辑、时钟振荡器等)应安放在紧靠边缘连接器(靠近机壳地连接点)；而低速逻辑和存储器，应安放在远离连接器范围内。这样对共阻抗耦合、辐射和交扰的减小都是有利的。输入、输出的接地线缆必须保证其阻抗非常小。用3.3V代替5V的电压来作数字逻辑的驱动。图1-29功能布置图C.强辐射元器件的接地与屏蔽 PCB上的晶振及其输出的时钟线路，是很强的辐射源。晶体内部电路由于其特性会产生很

4、大的RF电流，以至于晶体的地引脚与地平面产生一个较大的共模电压Ldi/dt，结果晶体的金属外壳变成了单极天线。如果晶体是表面贴装器件，由于其外壳表面一般是塑封的，这时的情况更糟糕。因为封装内的RF电流会辐射到空间，耦合到其他器件；PCB材料相对于晶体引脚具有更高的阻抗，它将阻止RF电流进入地平面，使晶振周边的空间产生较大的高频噪声。 将晶振及其时钟电路放在局部地平面上是一种降低晶振及其时钟电路共模辐射的简单而有效的方法，如图1-30表示。金属外壳的晶振可以直接接地(外壳接地的效果曾在以往实践中得到过验证)；如果是塑封的贴装晶振，应设计屏蔽罩进行屏蔽。图1-30 晶振下的局部平面 对高速线路，如

5、数据总线和低位地址线，应使其返回线路畅通。数据总线与低位地址线将其设计在不同的平面，并尽量采用地线掩埋技术，将电磁干扰辐射发射减小。D.电源线上使用去耦电容技术和板上使用铁氧体磁珠与低通滤波器的技术 在每一个IC器件的电源线上使用去耦电容有两个目的：一是作为低阻抗高频源为IC供电；一是过滤IC供电线上的电磁干扰噪声。此外，PCB板上整体去耦电容可以用来补偿PCB与母板之间或PCB与外接电源之间电源线及地线结构上发生的电流突变。 铁氧体磁珠是解决电磁干扰(EMI)问题时最常使用的器件之一。铁氧体有两个主要功能：一是作为损耗器件在高频段吸收高频电流并以热能的形式散发；一是使电磁干扰噪声回馈至其产生

6、源。铁氧体磁珠和电容器组合后，其衰减损耗值会略有增加，形成低通或段通滤波器。如PCB板上的数字地在接入输入输出地之间串联一个铁氧体磁珠或低通滤波器，则会收到明显的效果。 此外，也可以把0欧姆3欧姆的电阻系列组合后作为电磁干扰(EMI)的滤波器使用，这些电阻与信号源或线一起，也能奏效，这是一种经济的解决方法，很受人们的推崇。E.适用于印制线设计和布局的一般原则是：电源走线宽度大于1mm；电源线和回线尽可能靠近，最好使两者对称分布在电源板的两面，以减小电源阻抗；用地平面填满PCB板的空白部分，电路板尽可能不透光，此举还可以节省腐蚀剂；为模拟电路提供一条专门的地线；若有必要，增加平行导线间的间距或在

7、其间插入一条地线以降低串扰；对高速逻辑电路使用专门处理的电源；将至少10%的彼此隔开的连接器插脚用于与PCB板的地线相连；应避免印制电路板导线的不连续性：迹线宽度不要突变；导线不要突然拐角。 2.5 一些基本概念.温升机内空气温度或元器件温度与环境温度之差。可以将一般环境下测量获得的温升加上最高可能的环境温度，则可获得最恶劣环境下的器件近似温度。例如在空调房内测得某器件的温升为40，则在55 最高环境温度下该器件的温度将为95。.热耗元器件正常运行时产生的热量。热耗不等同于功耗，功耗是指器 件的输入功率，一般电子元器件的效率比较低，大部分功率都转化为热量。计算元器件温升时，应根据其功耗及效率计

8、算热耗。当仅知道大致功耗时，对于小功率设备，可以认为热耗等于功耗；对于大功率设备，可近似认为热耗是功耗的75%，（W）。.热流密度单位面积上的传热量，（W/m2）。.热阻热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为/W或K/W。用热耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。以下是一些单板元器件热分析时使用的重要热阻概念，这些热阻参数一般由元器件生产厂根据标准实验测量后提供，可在器件手册中查出： 结至空气热阻Rja元器件的热源结到周围冷却空气的总热阻，乘以其发热量获得器件的温升。 结至壳热阻Rjc元器件的热源结至封装外壳间的热阻，乘以其发热量

9、即可获得结至壳的温差。 结至板热阻Rjb元器件的热源结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即可获得结与单板间的温差。.导热系数表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，（W/mK或W/m）。.对流换热系数反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1时，在单位时间通过单位面积的热量，(W/m2k或W/m2）。.层流与紊流（湍流）层流指流体呈有规则、有序的流动，换热系数小，热阻大，流动阻力小；紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动，换热系数大，热阻小，流动阻力大。层流与紊流一般由雷诺数Re来判定：当Re2200时，流动属层流；当Re104时，

10、流动属紊流；当2200Re104时，流动属层流向紊流过渡的阶段。在热设计中，尽可能让热耗大的关键元器件周围的空气为紊流状态，因为紊流时的换热系数是层流时的数倍。.流阻反映流体流过某一通道时所产生的静压差，单位为帕斯卡（Pa）。.黑度实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，数值在01之间。它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色，表面粗糙、无光泽、黑度大，辐射散热能力强。.雷诺数Re它的大小反映了空气流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，它是说明流体流态的一个相似准则数。其定义为： Re=D/式中：=/运动粘度（m2/s）；D特征尺寸（m）；空气流速（m/s）。.普朗特数Pr它是说明流体物

11、理性质对换热影响的相似准则数，空气的Pr数可直接根据定性温度从物性表中查出。其定义为： Pr=Cp/k 式中： 粘度（kgm-1/s）；Cp比热（J/kg）；k导热系数（W/m）。.努谢尔特数Nu反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，它是一个说明对流换热强弱的相似准则。其定义为： Nu=hD/k 式中： h换热系数（W/m2）；D特征尺寸（m）；k导热系数（W/m）。.通风机的特性曲线通风机在某一固定转速下工作，静压随风量变化的关系曲线。当风机的出风口完全被堵住时，风量为零，静压最高；当风机不与任何风道连接时，其静压为零，而风量最大。.系统的阻力特性曲线流体流过风道所产生的压降随空气流量变

12、化的关系曲线，与流量的平方成正比。.通风机工作点系统（风道）的特性曲线与风机的静压曲线的交点就是风机工作点。.速度头使用空气的动压头作为电子设备机箱压降的惯用基准，其定义为： P=2/2 式中：空气流速（m/s）； 空气密度（kg/m3）。风道中空气的静压损头就是由速度头乘以阻力损失系数获得的。风扇工作点的确定 2.6 热量传递的基本方式及传热方程式 热量传递有三种方式：导热、对流和辐射，它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现。2.6.1 导热的基本方程 导热是在同一种介质中由于存在温度梯度所产生的传热现象，其向量表达式为： =-kAt/n（W） 式中：负号热量传递方向与温度梯度的方向

13、相反： k材料的导热系数(W/m)； A导热方向上的截面积(m2)； t/n 温度在n方向上的导数。 单层平壁导热计算公式： = kA (tw1-tw2)/ （W）式中：tw1热表面温度()； tw2冷表面温度()； 平壁厚度(m)。令 Rt= /kA =(tw1-tw2)/ , 称Rt为导热热阻。 此关系式与电子学中的欧姆定律I=E/R相类似，因此，一维导热问题也可以用电路基础进行分析与计算。 根据方程式可以看出，要增强散热量，减小温升，可以增加导热系数，选用导热系数高的材料，如铜、铝等合金材料；增加导热方向的截面积；减小导热方向的路径。 2.6.2对流换热的基本方程 对流是由流体与流体流经

14、的固体表面之间存在温差产生的换热现象。其数学式为： =hcA（tW-tf）式中：hc换热系数，它表示单位面积温差为1时所传递的热量（W/m2）； A固体壁面换热面积（m2）； tf流体温度（）； tW固体壁面温度（）。 2.6.3辐射换热的基本方程 式中：12两平板（物体）之间的热交换差额（W）； 1，2分别为高温物体表面（如发热器件）和低温物体（如机壳内表面）的黑度； F21表面2到表面1的角系数； A1物体1的有效辐射面积，（m2）； T1，T2分别为物体1和物体2的绝对温度，（K）。 由此可见，要增加辐射换热，可以提高热源表面的黑度和到冷表面的角系数，增加辐射面积。 11F1100T10

15、0T67A.5221142411122.7增强散热的一些方法增加散热面积。如在芯片表面安装散热器(导热条)；将热量通过引线或导热绝缘材料传导到PCB板上，利用PCB周围的表面进行散热。增加流过发热元器件表面的风速，可以增加换热系数。破坏层流边界层，增加扰动。紊流的换热强度是层流的数倍，抽风时，风道横截面上速度分布比较均匀，风速较低，一般为层流状态，换热表面上的凸起可以破坏层流状态，加强换热。针状散热器和翅状散热器的换热面积一样，而换热量却可以增加30%，就是这个原因。吹风时，风扇出口风速分布不均，有主要流动方向，局部风速较高，一般为紊流状态，局部换热强烈，但要注意回流低速区的换热较差。尽量减小

16、导热界面的接触热阻。在接触面可以使用导热硅胶(绝缘性能好)或铝箔等材料。设法减小散热热阻。在屏蔽盒等封闭狭小空间内的单板器件主要通过空气的受限自然对流和导热、辐射散热，由于空气的导热系数很小，所以热阻很大。如果将器件表面和金属壳内侧通过导热绝缘衬垫接触，则热阻将大大降低，减小温升。在布置元器件时，应将热敏感元器件放在靠近进风口位置，而且位于功率大、发热量大的元器件的上游；将本身发热而又耐热的元器件放在靠近出风口的位置 。 222sD211AA222202o2D12D1UUBpvBpAB 由隔振传递率的讨论可知，在激振频率带宽内，系统的响应的最大值应不大于设备能够承受的振动量级，这是隔振系统设计

17、的基本要求。根据这一原则，可以确定隔振系统应达到的最小衰减量，即隔振效率EE=(1-max)100%的最小值，然后以其中的隔振系数最大值max作为许用值，并按许用要求选择系统沿承载方向的固有频率。如果缺乏这方面的具体资料，一般应使最低激振频率与固有频率之比达到： min=pmin/2.5如果难以满足，也应力求使min21/2，以避免系统发生共振。 当上述要求均难以满足时，则应考虑实际工况经常出现的激振频率，系统设计时应尽可能使远离这些激振频率。 举例： 一台车载微型计算机重250N(含打印机等设备)，采用四个减振器支承，每个减振器的弹簧刚度为23000N/m，阻尼比为D=0.08。已知汽车行驶

18、时，车厢垂直方向的运动规律为z0=A0sin2.2vt，其中A0为位移振幅。当行驶速度v27km/h时，A0=5.5mm为常数；而当v27km/h时，车厢的加速度振幅为1.5g(g=9.8m/s2)。求：.汽车行驶v=60km/h时，微机系统的位移和加速度振幅； .在行驶途中，若汽车速度在20120km/h范围变化，讨论系统的响应特性。解：.根据题意，求系统无阻尼时固有频率为 =(4k/m)1/2=60.05(rad/s)行驶速度v=60km/h时，车厢的振动频率为 p=2.2v=36.67 车厢与隔振系统的频率比为 =p/=1.9 由于行驶速度v27km/h，由己知条件可求得车厢的位移振幅

19、A0=1.5g/p2=0.001107(m)=1.11(mm) 系统的隔振系数为所以，微机系统的位移振幅为 加速度响应振幅为 .当汽车的行驶速度在v=20120km/h变化时，车厢的振动频率范围是： p=12.22 73.33（rad/s） 当=21/2时，车厢的振动频率是p=20.5=84.92rad/s，对应汽车的行驶速度为： v=p/2.2=44.23(km/h) 由隔振原理可知，只有当p84.92rad/s，即行驶速度v44.23km/h时，才有隔振效果。 若汽车以时速120km/h行驶，车厢的频率比是=73.33/60.05=3.84，代入隔振传递率公式得：=0.085。此时车厢的位

20、移振幅为： A0=1.5g/(73.33)2 =0.28(mm)，于是可得微机系统的位移和加速度响应振幅 B=0.0850.28=0.023(mm) 可见，随着激振频率升高，系统呈现隔振效果。 37. 0)9 . 108. 02()9 . 11 ()9 . 108. 02(12222)mm(42. 011. 137. 0AB00.555g1.5gZ )s/m(128g. 05g. 1085. 0Z2 但是，当汽车时速在v=2044.23km/h时，相应的振动频率处于隔振曲线的放大区，系统将发生谐振。为求得谐振峰值，对隔振传递率公式求极值，令d/d，得代入得到 系统谐振时，位移的峰值响应为 此时

21、汽车的行驶速度为 这就这是说，当汽车的行驶速度在31km/h左右时，系统发生峰值谐振，振幅将达35mm。如果汽车因某种原因长时间以此速度行驶，将造成系统的永久性损坏。因此，必须有效措施抑制系统的谐振，才能在汽车低速行驶时使微机系统的工作可靠性得到保障。99. 02D8D11235. 68D1228D16D4D2242max)mm(92.34AB0)h/km(97.30100036002 . 2vA32n3gEta8 . 1f4224A3nb3ba2a3gEt5 . 1f1m2122magff11mfw 12magffw 1mff1fw2111mag321magAAAYXYLyZLzkkGHmA

22、kEHmAk2Y2ZFLF2LDH9411m)65S.11(2.1mAASH)dD(A4)dD(A约束面积自由面积形状系数Z向形状倍率Y向形状倍率E橡胶拉压弹性模量G橡胶剪切弹性模量2e222e0)2D()1 ()2D(1AB000uepu2kA4pu4FC000000ceeu4ApuA4mk21pu8kACCD222400)1 (8Au2222)1(2181)/8(1)/8(2222)1 (2181)/8( 在举例中，若减振器采用库仑阻尼，且库仑力Fu=2kA0，讨论系统的减振特性。解 .系统无阻尼时的固有频率=60.05rad/s，若使减振器中的库仑力Fu=2kA0，则根据上述无谐振原理，当车厢的激振频率，即汽车行驶速度v44.23km/h时，微机系统与车厢被库仑力“锁”在一起，而不出现谐振。在这种情况下，当汽车时速v27km/h时，响应位移等于车厢的位移振幅5.5mm；当时速在v=2744.23km/h时，响应加速度等于车厢的加速度振幅1.5g。从而避免了微机系统因谐振导致永久毁坏。 .当行驶速度v44.23km/h时，系统进入隔振区。下面来讨论系统的隔振效果。当时速v=60km/h时，可算得频率比为=1.9。代入可得此时系统的位移和加速度响应振幅分别为 A=0.571.11=0.63(mm) 57. 09 . 119 . 1