系统（整机）的防护设计包括电磁兼容性 热设计 防腐蚀 振动

1、电子设备的环境防护设计梁绍文 2007年2月电子设备的环境防护设计 为了更好地介绍系统（整机）的环境防护设计，下面用一个机载计算机系统并结合一些基本概念予以阐述。 如图所示，该系统由一台主机（工控机）、液晶显示器、键盘和鼠标组成，与其他设备一起构成一套组架式结构机载计算机系统系统的环境条件要求如下：（1）气候环境条件 工作温度 -25+55 贮存温度 -55+70 相对湿度 10%90%（2）、振动试验要求 正弦振动 10、2352Hz 15m/s、 522000Hz 50m/s 随机振动 A、标准振动环境，总均方值加速度为，持续时间为1小时。 1040Hz +6dB/oct、40500Hz

2、0.02g/Hz、 5002000Hz -6dB/oct B、耐久振动环境，总均方值加速度为，持续时间为3小时 。 1040Hz +6dB/oct、40500Hz 0.04g/Hz、 5002000Hz -6dB/oct（3）、电磁兼容测试要求 按GJB151A97要求，进行如下顶目测试。 CE102 10KHz10MHz电源线传导发射； CS101 25Hz50KHz电源线传导敏感度； CS114 10KHz400MHz 电缆束注入传导敏感度； CS115 电缆束注入脉冲激励敏感度； CS116 10KHz100MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度； RE102 2MHz18GHz 电场

3、辐射发射； RS103 30MHz 18GHz 电场辐射敏感度。 第一章 电磁兼容（EMC）设计系统（整机）的电磁兼容（EMC）分析及防护措施 该系统的主机采用工业档的计算机，机壳重新设计，面板宽为19高4U的组架式插箱。显示器也重新设计，为高8U宽19组架标准插箱，屏幕为15.1TFT液晶显示器。还有键盘和鼠标，在使用时安装在控制台上。 由于工业档计算机不能满足国军标GJB151A-97的测试要求及其他使用要求，因此对整个系统都进行重新结构设计。我们曾经对一套没有进行电磁兼容加固的工控机系统和一台一体化便携式（天钻9000-型）计算机迸行过摸底测试，结果发现相差甚远，图1-1、图1-2是对它

4、们的RE102电场发射辐射测试曲线 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 可以看出，工控机系统在14KHz1GHz的频段内几乎全部超出曲线的极限值，尤其在30KHz300KHz的频段的辐射发射值高达100分贝微伏；一体化便携式计算机在14KHz1GHz频段内也全线超标。尽管这些设备都是通过了民品EMC标准的(如FCC、VDE、CISPR22-1997、EN55022-1998、GB9254-1998等)，但是它们的要求低得多，必须重新进行加固才能满足军品的要求。 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

5、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，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、

6、电源线等部位都有较强的电磁辐射 主机机箱由薄钢板折弯成型，外壳分别由底座、上盖和面板三部分组成，如图1-3所示。 面板采用4mm厚的铝板加工，面板左侧是通风散热的进风口，进风口做成1621个4mm的孔阵，每两孔的中心距为6mm，面板内侧装有滤尘防电磁干扰屏蔽通风板和轴流风扇；面板右侧是一屏蔽小门，门内的面板开口处是计算机光驱、软驱等操作区，小门可以翻转，内侧装有一圈导电橡胶圈，关紧时与面板保持严密接触。 箱体和上盖由厚的钢板做成，它们之间的接触面装有铍铜指簧，当上盖插入面板槽（槽内装有矩形屏蔽丝网衬垫）并盖上底座和锁紧时，则达到密封屏蔽的目的 。 图1-3 主机机箱屏蔽示图机箱电磁屏蔽主机机箱

7、的屏蔽设计 图1-4 主机机箱后视图 如图1-4所示，主机箱的后部左侧是通风散热的出风口，它是由多个4mm的小圆孔构成一个圆形排列的孔阵，对应孔阵的内侧也装有滤尘防电磁干扰屏蔽通风板和轴流风扇。后部右侧装有多个电缆连接插座和电源插座等。 可以看出，机箱的孔洞和缝隙是比较多的。前面板的右侧小门与门洞已用导电橡胶圈整体密封，只有通风散热的进风口；机箱后部除了有散热排风口之外，还有多个连接插座和电源插座。所有的孔洞都采取了有效的密封措施：前后通风口都装有滤尘防电磁干扰屏蔽通风板，这种屏蔽板是由三层铝制金属丝屏夹在坚固定的拉制金属中间，然后装配在框架内构成(见图1-5)，其屏蔽效能（平面波）达80dB

8、（1GHz）60dB（10GHz）。各个连接插座与机箱的接触面之间都装有专用铍铜软指簧，使插座与机箱保持紧密接触。这种冲制的小簧片的屏蔽效能可达95dB（100KHz）75dB（1GHz），因此主机机箱的孔洞是满足屏蔽要求的。 图1-5 滤尘防电磁干扰屏蔽通风板 面板的通风孔尺寸见图1-6。面板的厚度为4mm，为了减小风阻，在面板的内表面加工了2mm深的坑，因此通风口处的厚度实际上只有2mm厚，即t=2mm。其它参数为： 取CPU的主频800MHz，=3108/800106（m）（cm） d孔径，d=4mm a孔眼的表面积，a=3.14d2（cm2） n每平方厘米的孔眼数。 通风孔数=1621

9、=336（个） 通风孔区的面积=（）（）（cm2） （个/cm2） 屏蔽效能 SE=32t/d+20lg（/2d）（r/d）-10lgan 2d SE=32t/d+20lg（/2d）-10lgan =320.2/0.4+20lg（）-10lg（）（dB）下面用前面板的通风口的屏蔽效能来验算一下：图1.6 面板通风孔 面板通风口在800MHz时的屏蔽效能只有45dB，显然是不能满足屏蔽要求的，只有加入滤尘防电磁干扰屏蔽通风板后使屏蔽效能达到100dB以上，才能满足屏蔽要求。 上述的验算只是在一个频率点上运算，如果在8GHz时它的屏蔽效能就会下降到25dB了。由于数字电路的驱动电流较大，致使辐射的

10、强度也较大；而高速时钟和数字信号又使得辐射频带加宽：由于时钟电路产生的信号一般是周期方波，其谐波分量都是以基频为倍频的分立频谱，呈离散形，但强度大，通常成为窄带噪声。而数字化信息信号（如数据线和地址线）一般都是非周期信号，频谱很宽，而且强度较弱，通常被称为宽带噪声。因此，辐射频谱将以窄带和宽带两种辐射叠加，频率可以以几兆赫兹到数十吉赫兹。因此要对不同频段抑制量的预估及其干扰偶合结构的确定是比较复杂的。加上屏蔽体上电缆的结构及数量、滤波及接地的状况、各种孔缝的状态、材料厚度和特性等等诸多因素的影响，要对屏蔽体进行定量计算其难度是很大的，因此一般采用定性的方法进行屏蔽设计。图1-7时钟噪声与数据噪

11、声频谱液晶显示器的屏蔽设计 液晶显示器的外壳采用金属机箱结构，由合金铝板加工成型。如图1-8所示，液晶显示器的外壳主要由面板和后盖构成。面板与后盖连接的四周的接触面装有铍铜指簧；液晶屏的前面安装了一块导电玻璃，这种导电玻璃是在两层玻璃之间夹一层金属丝网经特殊工艺加工而成，由于金属丝网是采用250目的不锈钢丝编织，每个网孔再经特殊工艺焊接，金属网表面再进行镀银、镀镍复合材料，这样的屏蔽玻璃可以有80dB的屏蔽效能（安装导电玻璃时必须将其四周暴露的丝网压紧，使它与面板保持紧密接触）。此外，在机箱后面还有电源插座和接口插座，它们与机箱的接触面之间都装有铍铜软指簧衬垫，从而保证这些孔洞的屏蔽性能。图1

12、-8 液晶显示器 键盘与鼠标的屏蔽设计 为了解决键盘的屏蔽，首先采取了塑压外壳内表面喷涂导电涂料。这种涂料主要由银（镍）粉和树脂加入添加剂经特殊工艺处理而成 ，它的表面附着力强、体积电阻欧姆厘米，高、低温及湿热等试验中能满足国军标GJB367.287的环境要求。据报导，在完全封闭的塑料体内表面喷涂4050m厚的涂料时，其屏蔽效能在频率为150KHz450MHz时可达60dB46dB。因为实际上不可能有一个完全电气连接的屏蔽体，键盘的外壳也不例外，除了上、下盖四周的接缝外，面板上还有许多孔洞。我们曾经在一部 机的外壳内表面喷涂导电涂料后测试过，结果其屏蔽效能提高了20dB左右。显然，键盘外壳光靠

13、内表面喷涂导电涂料是不能满足屏蔽要求的，为此采取了双层屏蔽措施：在底层矩阵线路印制板上加入一层EMC箔膜，并使它的周边良好接地；在上盖内侧安装了与键盘孔一致的屏蔽夹片。此外，还将微处理器小印制板做了一个单独的屏蔽盒，以及连接电缆采用屏蔽线缆并在端口加滤波等措施，以达到抑制EMI的辐射。 鼠标器的屏蔽也与键盘一样，外壳的内表面喷涂导电材料，并在内部的连接缝隙上包上金属箔带，其连接电缆也采用屏蔽线缆。 图1-9 某微机系统电缆连接示图 图1-9是某微机系统的电缆连接示图，从图中可以看出，除了I/O接口电缆之外，微机系统本身的连接电缆就多达17根（接地线未计入），这些电缆有的长达米，因此电缆的防护问

14、题非常突出。图1-10和图1-11是初始时的EMC测试记录，分别为230MHz及30200MHz的电场辐射发射曲线。由于互联电缆多且长，在测试时电缆布局比较混乱，没有理顺好，而且键盘和鼠标的电缆是单层（铝箔）屏蔽的，并多达8根（其中有6根长达4米），因此在整个频段内出现多处超标。后来更换了鼠标和键盘的电缆为双层屏蔽电缆并缩短其长度为2米，并在测试将各种电缆排列理顺好，从而使EMC测试达到理想的结果，如图1-12所示。电缆的设计选择电缆的辐射/接收图1-10 230MHz的电场辐射发射曲线 图1-11 30200MHz的电场辐射发射曲线 图1-12 电缆处理后的电场辐射发射曲线 图1-13 电缆

15、中的差模电流IDM和共模电流ICM 如图1-13所示，电缆产生电磁辐射的原因是有差模电流和共模电流，差模电流IDM是沿着一根电缆方向上流动，而在另一根电缆上相反方向流动。差模电流通常等于信号电流或电源电流，而不在屏蔽体中流动，只要两根导线形成的环路面积是小的，净辐射也是小的；共模电流ICM在同一方向上沿电缆中所有导体平均地流动，包括屏蔽体，与信号无关，经有关的接地网络返回，因此辐射环路是很大的，如不加控制，结果是甚至小的ICM也会导致大的发射信号。因此，在系统中电缆的安排应当尽量减小共模环路面积，避免悬空，使它们尽量靠近地平面（机架）。为什么大多数的EMC问题是电缆造成的？ 这是因为电缆是系统

16、中最主要的电磁干扰辐射和耦合途径，是电磁波的接收天线和辐射天线，同时也是干扰传导的良好通道！ 现代电子设备中的微处理器和数字电路的芯片产生的电磁干扰，其频谱范围可达数吉赫兹以上。由于电缆总有一定的长度，其辐射/接收的能力往往比机箱内部的各种引线和印制板的走线更强。据报道，在甚高频（VHF）段的辐射发射主要来自电缆发射，原因是常用的电缆在30150MHz频率要谐振。如图1-13所示，电缆可以等效为偶极子/接收天线，电缆屏蔽层上流过的干扰电流能在电缆内导体感应出干扰电压；同理，电缆内导体干扰电流的变化也会在电缆外部引起辐射场。其辐射场强是干扰电流、电缆长度和距离的函数： E=12.610-7(fI

17、L)(1/r)式中 I电缆中的共模电流； L电缆的长度； f共模信号的频率； r观测点到辐射源的距离。 电缆过多、过长怎么办？如何减小电缆上的共模电流？ 设备上的电缆过多、过长对EMC辐射发射的影响十分严重，但在实际却是不可避免因为电缆的数目和长度往往不能随意减小。因此，控制电缆共模辐射的最好方法是减小高频共模电流的幅度。 采用双绞电缆将减小磁耦合；不同的电缆或电源线不能共享同一回路，因为这将导致共模耦合。 同一束导线之间或电缆之间都存在着电磁耦合现象，即串扰，因此在机内、外电缆布线时，要确保电缆在较大辐射水平的极化方向上的长度最小，从而使电缆耦合到的电磁能量最少；布置电源线与其回路时，要避免

18、形成较大的环路，使之尽量狭长，减小差模电流的辐射干扰。 减小电缆上共模高频电流的有效方法是合理地设计电缆端口的接口电路或在端口处使用低通滤波器或抑制电路，滤除电缆上的高频共模电流。有些电缆包缠有铁氧体“外衣”，其有助于高频共模干扰电流的吸收损耗。1.3.2 屏蔽电缆的端接及滤波 对电缆屏蔽层端接的严格要求是直接连到阻抗尽可能低的金属机箱或机箱地上，化为屏蔽机箱的延伸。保证屏蔽连续性的方法取决于电缆屏蔽层与连接器外壳的360连接和连接器外壳与机箱接触面的密封（即加入屏蔽衬垫）。因此，为了保证满足EMC要求，电缆与连接器的组合设计与工艺以及封装是互联设备屏蔽系统设计的一个重要领域。 为了进一步抑制

19、电缆和连接器的辐射/接收能力，还必须阻止干扰电流流入/流出电缆的芯线和屏蔽层。图1-16是某设备在EMC测试时，由于 电缆插座没有采取滤波措施，通过 电缆的传导发射在30MHz附近十分严重。而将 电缆拔下测试时，这个现象就完全消失了，如图1-17所示。 图1-16 电缆插座插上时的测试曲线 图1-17 电缆插座拔下时的测试曲线 为什么将 电缆拔下就能通过EMC测试？ 很明显，图1-16上30MHz左右的高次谐波的辐射是 电缆带出来的。产生这种辐射的原因有两种：.接口没有采取有效的滤波，这需要线路设计解决；.连接器与 电缆的屏蔽层没有良好的搭接。这样不但不能起到应有的屏蔽作用，反而将产生更大的辐

20、射，此时屏蔽层也成为辐射天线。 信号线与屏蔽层之间紧密偶合，分布电容很大，30MHz左右的谐波通过分布将信号偶合到屏蔽层(驱动电压)，屏蔽层通过和“大地”之间的分布电容将信号送回到源(产生共模电流)。这个是电压驱动的共模辐射，屏蔽层相当于单极天线。为什么EMC测试“三进宫”都失败？“猪尾巴”接地的不良后果！ 某厂有一产品从重庆来到成都进行EMC测试。我们碰到时，他们己经是第三次远道而来了，当时因为又未通过正在拆开机器查看中。请我们帮助解决，发现问题出在屏蔽电缆上，主要是电缆的屏蔽层在接近信号端口处拧成小辫(猪尾巴)状接地。 这是屏蔽电缆设计与使用时常见的EMC问题。我们将电缆屏蔽层与连接器用E

21、MC箔带进行360良好接触(实际设计时用金属夹子或护套使之紧密接触)，再测试时就通过了。 这种“猪尾巴”的连接方式在高频时由于小辫的电感，它的效果与不连接是一样的。因为这相当于在屏蔽层上串联了一个数十nH的电感，由于屏蔽层电流的存在，这个电感在电缆的接口处产生共模电压，如图1-18所示。因此，屏蔽电缆的屏蔽层一定要360搭接处理！图1-18 电缆屏蔽层的接地 图1-14是D型插头电缆端接示图。电缆屏蔽层需用铜箔裹紧后用夹板与与插头金属外壳紧固（或用弹簧卡圈加夹板固定），使电缆屏蔽层达到良好接地。 图1-15是D型滤波插座，它的每个插针都连接了一个低通滤波器，因而构成一个滤波器阵列。滤波器的外壳

22、（中间部分）与插座的屏蔽外壳（通过焊接或导电胶粘接等方法）保持良好接地，每个滤波器的电容器在100pF1000pF之问，能对30MHz300MHz频率范围内的干扰电流产生30dB的衰减。接地 地线设计是十分重要的设计，往往也是难度很大的设计。接地的目的主要有三个：安全的要求、防雷电的要求和信号的参考点。安全接地是人身安全的基本保证，例如大部分设备都有电源滤波器，而滤波器中的共模滤波电容器是直接将火线和零线连接到机壳上的，所以机壳上会带有一半的电源电压（若电源电压为220V，则机壳上会有带有110V电压。），因此设备的机壳必须良好接地。发生雷电时，会在与设备相连的导体上感应出很高的共模电流和共模

23、电压，造成设备的损坏。电磁脉冲抑制器件能够将此能量泄放到大地，避免设备承受大能量的袭击。电路中一个信号的电压幅度是以参考点为基准定义的。当一个电路将一定幅度的信号传输给另一个电路，只有这两个电路有相同的参考点时才有意义。接地的目的就是为电路提供公共的参考点。电路中的“地”一般定义为电路或系统的零电位参考点，不一定是实际的大地，而可以是设备的外壳或其他金属板、线。 图1-19 安全接地 图1-20 信号接地同一台设备，为什么换一个人去EMC测试就通不过？ 有一产品己经设计定型，EMC测试各项指标都是合格的。第二年批量抽检，换了一个人去做EMC测试，结果通不过。后换了原来的人去将设备接地线改动后，

24、则顺利通过了。图1-21 传导测试时，电缆及壳体产生辐射的示意图图1-22 将EUT接地线接至LISN的接地端的示意图 该设备测试时只连接了电源线。在传导测试时，电源线、LISN(线性阻抗稳定网络)、EUT(被测设备)、EUT接地线与参考接地板之间形成一个较大的环路。环路既是辐射天线，又是接收天线，其远场的电场强度与回路的面积成正比。对于特定大小的环路，环路接收天线将在特定的频率上产生谐振，如图1-21所示。后去测试的人改变被测设备的地线连接，将接地线接至LISN的接地端，同时将接地线与电源电缆以较近的距离平行布线，大大减小了环路面积，从而通过了测试。 接地引线的长度必须小于/4，这仅仅是考虑

25、到“地”作用的起码要求，但实际究竟应小到多少还要看电源通过该接地线所产生的压降大小有关。如果一个电路对此压降很敏感，则接地引线的长度不大于或更小；如果只是一般的敏感，则接地引线可长一些，但一般不超过。 图1-23是某设备在EMC测试时的接地引线过长的问题，图中（a）是将三个设备叠放在一起时的测试情况，由于地线阻抗过大引起共模干扰，结果在测试时没有通过；图(b)是将设备平铺放置测试的，接地引线的阻抗明显减小，因而顺利地通过了EMC测试。 图1-23 某设备在EMC测试时的接地情况(a)(b)滤波 滤波是抑制任传导干扰的最有效的方法，同时也因为抑制了骚扰源，对辐射干扰的抑制也会有明显效果。 选择滤

26、波器的目的是必须对共模干扰和差模干扰都有抑制作用，因此应该合理地选择其有关参数和结构形式。插入损耗是选用滤波器的依据。 插入损耗 （IL）=20V1/V2 式中 V1-无滤波时的电压； V2-有滤波时的电压。 最大失配原则：电路的高阻抗端接滤波器的低阻抗端；电路的低阻抗端接滤波器的高阻抗端。 通常滤波器的参数是在50的源和负载阻抗的测试环境下获得的，是最优化的。而滤波器是由电感和电容组成的，因此这是一个谐振电路，其性能和谐振主要取决于源端及负载端的阻抗。 不同源与负载阻抗的插入损耗不同，其实际插入损耗为： IL= 201+ZsZi/ZtZs+Zi 式中 Zs源阻抗； Zi负载阻抗； Zt传输阻

27、抗。 举一个电源滤波器的例子：设系统源阻抗100，负载阻抗600，选用BD-2A滤波器，由(a)可知，在30MHz时在50系统中的插入损耗为57dB。从传输阻抗图(b）中可知，传输阻抗为。所以，插入损耗为： （100+600）=65（dB）（a）（b） 滤波器的种类繁多，除了一些传统的电感、电容及其组合外，还有许多新技术产品，如片状电容、片状电感、铁氧体制品以及集成滤波器等。根据应用场合不同，可以把它们分成三大类：.供电源使用的滤波器：电源滤波器（直流、交流、三相）、磁 环和磁珠；.供信号线使用的滤波器：信号滤波器、磁环和磁珠、馈通滤波器、滤波连接器（滤波阵列）等；.供印制电路板使用的滤波器：

28、去耦电容、片状电容、磁珠等。 电磁骚扰入侵机箱的主要途径，除了孔洞和缝隙外，输入、输出接口和电源线输入口也是十分重要的途径。因为机箱内部的电磁骚扰可以耦合到进、出口的导线和电缆上，传导到机箱外，造成辐射骚扰；同样，外来的电磁骚扰也会通过电磁耦合，由这些导线和电缆传导进入机箱内，因此在这些接口上都应安装有滤波连接器或馈通滤波器。 图1-24 一体化便携机的电源线传导发射测试曲线图1-25 加入BD-2A电源滤波器的测试曲线 图1-24是一体化便携式计算机的电源线传导发射测试曲线。因为该电源是一个外设的开关电源，它的输入端和输出端都没有进行滤波处理，因此其测试曲线从14kHz50MHz都超标。在输

29、入端加入一个DB-2A电源滤波器后(见图1-25)，高频端达到要求，但低频端从37kHz开始出现其多次谐波超标，这明显是开关电源的频率及其多次的辐射谐波。由于从开关电源到计算机是通过导线连接的，开关电源的输出端没有滤波与抑制，这段连接导线变成了辐射天线，电源板中的开关电源是噪声源。因此，应该在电源的后级增加滤波处理。 在EMC测试中，电源线的传导发射和传导敏感度等指标都与电源滤波器的选择和安装有关。设备的电源线滤波不好或者滤波器选择不当，都不能通过设备的EMC测试。 在结构设计中，使用滤波器时值得注意的是滤波器的安装及外壳接地的问题。图1-26是两种电源滤波器的安装方式，图中（a）的滤波器装在

30、机内，为了防止电磁耦合，在滤波器输入端增加了一个屏蔽罩；图（b)是将滤波器直接装在机壳壁上，这种滤波器带有插座，可与生产厂家订做。 图1-26 两种电源滤波器的安装方法 在有些场合，如果原来的结构已采用普通连接器，又不便改用屏蔽滤波连接器时，则可采用带有滤波器件阵列的金属隔离舱，如图1-27所示。 图1-27 普通连接器加金属隔离舱的设计 金属隔离舱与屏蔽机箱的结合面之间还需加上EMI衬垫，以保证屏蔽的严密性，这样可以得到“干净”的电缆，把辐射发射降到最低值。 此外，除了特别说明允许不接地的滤波器在使用时可以不接地外，各类滤波器都必须要有良好的接地。因为滤波器中的共模电容只有在接地时才能起滤波

31、作用，特别是型滤波器接地不良时，相当于电容和电感并联，完全失去了滤波作用。因此，滤波与接地、屏蔽都有密切关系，必须综合使用这些技术和灵活掌握使用技巧，才能达到理想的抑制效果。1.6 印制电路板(PCB)的EMC设计 PCB的EMC设计是抑源技术的重要措施。一个产品的PCB设计的好坏，可以决定该产品的主要的电磁骚扰问题。对发射源(如高频时钟等)的抑制，是解决电磁干扰的最有效、最便利和最经济的方法。主要措施有：A.尽可能减小电路的环路面积PCB中的环路无处不在，一个信号的传输就意味着一个电流环路的存在，其中主要发射源是时钟、视频、数据驱动器及其他振荡器等电路中流动的电流，它的流动路径与返回路径形成

32、的环路是一个个辐射发射的小环天线。因此，控制其辐射发射应该从PCB的布线开始就必须予以考虑：正确选择地线系统，寻求信号的最短回路。图1-28 电源布线 图1-28是单面或双面印制板的电源和地线的布线方法，在考虑安全条件下，电源线应尽可能靠近地线(如图中a)，以减小差模辐射面积，有助于减小电路的交扰。图1-28(b)的环面积大，这种布线方式不好。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。严格分隔数字地与模拟地，并且将它们连

33、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大的RF电流，以至于晶体的地引脚与地平面产生

34、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，如数据总线和低位地址线，应使其返回线路畅通。数

35、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源。铁氧体磁珠和电容器组合后，其衰减损耗值会

36、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其间插入一条地线以降低串扰；对高速逻辑电路使

37、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。1.7 EMC（电磁兼容)与TEMPEST(低辐射)的差别 EMC关心的是电磁发射对周围电子设备造成的干扰；TE-MPEST关注的是设备的信息电磁泄漏对信息安全造成的威胁。后者的屏效一般要比前者高出2040dB，由屏蔽效能公式：SE=20E0/E1(SE=20H0/H1)，由下表中可知，TEMPEST对设备所辐射的电磁信号衰减量要求比EMC高出12个数量级。从信息安全角度看，如果满足EMC时，其安全半径为50米的话，则满足TEMPEST时，其安全半径

38、至少要小于5米以内。图1-31没有连接数据网接口时的测试曲线图1-32连接数据网接口时的测试曲线 图1-31、图1-32两图是某计算机在EMC测试时与数据网连接与否的两种曲线。在没有连接时，在2MHz30MHz频带内，设备只有附近有一超标信号；但连接数据网接口后，在该频段内有多处超标，越往高的频率，其辐射强度越大。 设计TEMPEST设备的措施主要有：a.采用多层屏蔽，主要整件进行模块设计，分区安装；b.设计和选择优良线缆和管线屏蔽，机内走线沿沟槽或机壳；c.设置“红”、“黑”隔离区，“红”区线不能直接输出。电源采用多级滤波，端口的连接器进行良好的滤波处理。第二章 热设计 热设计的目的 采用适

39、当可靠的方法控制设备内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证设备正常运行的安全性和长期运行的可靠性。热设计应考虑的因素： 工作环境 结构与尺寸 功耗 电路布局 产品的经济性 与所要求的元器件的失效率相应的温度极限热设计的基本问题耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度。热量以导热、对流和辐射三种形式传递出去，每种形式传递的热量与其热阻成反比。热量、热阻和温度是热设计中的重要参数。所有的冷却系统应是最简单又是最经济的，并适合于特定的电气和机械、环境条件同时满足可靠性要求。热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出现矛盾时，应

40、进行权衡分析，折衷解决。热设计中允许有较大误差。 热设计遵循的原则热设计应遵循相应的国际标准、国内标准和行业标准；热设计应满足设备的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中长期正常工作；每个元器件的参数选择和安装位置及方式必须符合散热要求；在规定的使用期内冷却系统(如风扇等)的故障率应比元件的故障率低；在进行热设计时，应考虑相应的设计余量，以避免使用过程中因工况发生变化的引起的热耗散及流动阻力的增加；热设计时不能盲目加大散热余量，尽量使用自然对流或低转速风扇等可靠性高的冷却方式。使用风扇冷却时，要保证噪音指标符合标准要求；热设计应考虑产品的经济指标，在保证散热的前提下使其结构简单、

41、可靠且体积小、成本最低。要便于监控与维护。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，

42、（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

43、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，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

44、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/

45、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

46、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-tw

47、2)/ （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。 对流换热的基本方程 对流是由流体与流体流经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

48、面积（m2）； tf流体温度（）； tW固体壁面温度（）。 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。 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。

49、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

50、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 。 为什么已经完成生产加工的样机要重新进行结构设计？ 有一舰载设备，其机箱需要密封防水设计，因此机内散热主要由热传导进行。又因为体积的限制，所以机内的热流密度高，结果样机制造出来后，在常温工作状态下温度饱和后己达53，电子器件的结点温度处于临界状态，严重影响设备的可靠性。 经分析讨论，主要是因为机内热设计问题，整机结构设计不得不“推倒重来”。采取措施主要有：.70%以上的热量集中在电源部分，因此将电源所占空

51、间由原来的1/4扩大到1/3，并用厚铝板加工成散热器，增大发热元器件(如功率管、三端稳压器等)的散热器面积，且把它们与机箱底部紧密接触，以较低的热阻将热量传递出来；.PCB的导轨由原来的自由滑道式改为插入后用楔形压紧式导轨(如图2-1所示)，使PCB与导轨有足够的接触压力和接触面积，并将导轨固定在机箱的内壁上，图2-1 楔形PCB导轨通过PCB的地线以最小的热阻将热量传递到机壳上；.将机箱内外表面喷黑漆以提高机壳的热辐射换热能力。改进后，新机箱的机内温度在常温下降低到41。用了13个风扇吹风，为什么解决不了散热问题？ 七十年代初期，集成电路尚未推广应用，电子设备用得较多的TTL晶体管器件，这类

52、器件功耗大，散热问题是个重要课题。有一大型控制台式结构，由于电路板布局分散，设计师用了13个风扇吹风，结果并未解决散热问题，还带来一片噪声，使设备不能正常工作。其主要原因是：没有设计好风道！ 如图2-2所示，吹风扇安装在插箱内PCB的上方，结构上没有设计出风口，结果排出的“热”风在机内循环，并形成噪杂的噪声。 如果在插箱上部留出排风空间，将吹风扇安装在插箱的下方，形成顺畅的风道(见图2-3)，就会较好地解决通风散热问题了。图2-2 没有设计好图风道图2-3 设计风道后的示图 图2-4是为某工程设计的高11U、宽19的组架式插箱。插箱为铝型材、型板式结构，基本材料均采用德国威图(RITTAL)公

53、司的产品。 该设备基本以一台计算机为主的插箱式结构：顶部高1U的空间安装有硬盘、光驱和软驱等器件；底部高的空间放置操作键盘，工作时可将抽屉抽出使用，平时推入后可锁紧；7U高的插件大小共有11块，在它们的下面高的空间并联安装了3个轴流风扇吹风。在系统的散热中达到了良好的效果。图2-4 某设备的通风散热系统简图机载计算机系统的热设计2.8.1 热分析 根据工作环境温度 为 2555 ； 贮存温度 为 -55+70； 相对湿度10%90%。计算机系统工作在温差较大、相对湿度变化也很大的环境中：一方面，它可能工作在高温、高湿的湿热环境下；另一方面，也可能工作（或存放在）冰冷的环境里。也就是说，在这个宽

54、温环境中，计算机系统既要进行低温环境的热设计，也要进行高温环境的热设计。如果选择军用档的计算机系统，虽然能满足环境条件的要求，但这种计算机的价格高昂，而且难以从国外买到。因此国内一般采用工业档的商用计算机进行加固处理，来达到设计要求。 在工业档的计算机系统中，主机中的关键器件CPU和硬盘，其工作温度一般为-1070；而商用液晶显示器的工作温度也在050间。因此在机载计算机系统中采用了两套热设计措施。 2.8.2 主机机箱的散热 图2-5是计算机主机的风冷示意图，图中前面板选用一个大风量的轴流风扇向机内吹风，并将发热元器件集中的主板对准进风口，确保其处于风速较高、避免回流的位置，使冷却空气顺畅并

55、通过插件构成的风道流向机箱后部；在机箱后面板靠近电源模块一侧，也安装了一个大风量的轴流风扇进行抽风，因为机箱后部的风道比较复杂，为了使风道加宽，把插件支架与后面板的距离加大，使机内高温气流顺畅地排走。图2-5 主机机箱风冷散热简示图图2-6 CPU散热（加热）示图 CPU是一个发热量较大的器件，工作时需要散热，厂家提供主板时CPU就带有散热器和排风扇，因此自身就具有一个小的传导加风冷系统，它将CPU上的热量排到机箱插件板间通道，然后由机箱上的风扇排走；另一方面，由于它在-10以下就不能正常工作，因此在印制板的另一侧加入了一块半导体加热板。加热板连接有温度传感器，当环境温度低于15时，传感器接通

56、12V电源加热；而当环境温度高于45时，则断开加热。加热板的热量通过导热绝缘胶片传导给CPU的引脚上，直接将热量传递至芯片上，达到加热的目的，如图2-6所示。 图2-7 硬盘加热及加热板示图 商用计算机的硬盘在环境温度-10以下运行很不稳定，根本达不到-25的工作温度要求。因此，在硬盘的一面加入一块加热板，如图2-7所示。它与CPU一样，作为重点“保护”对象，其传感器设置也在环境温度15时接通电流，而在45时则断开电源。加热器的结构示图也见图2-3，其中的半导体加热片由碳粉之类物质制作而成，在市面上可以买到。2.8.3 液晶显示器的热设计 商用液晶显示器的工作温度在050之间，而根据机载计算机

57、的工作温度为-25+55之间，所以，商用液晶显示器在加固中存在一个宽温设计问题。温度主要对液晶屏和背光源产生影响，液晶材料对温度的变化非常敏感，影响液晶的响应时间和开关阀值电压，当温度低于0时，液晶材料将变得粘滞，响应速度变慢，动态图象出现拖尾现象甚至不能显示；如果过低，液晶态会消失，变成晶体。当温度过高时，封装液晶屏的胶水、粘合剂和封装物的性能将降低、退化，液晶态也会消失，变成液态，显示面呈黑色，不能工作。 如果环境温度低于0，背光源的荧光灯管寿命会降低，而且低温还会影响背光源的亮度。根据试验显示，背光源在50时是最好的，为使背光源工作在最隹的性能下，要对它进行预热。 液晶显示器的热设计主要

58、是解决液晶显示器的低温工作问题。主要途径有两种：一是采用宽温液晶材料，这样造价很高，且技术和工艺上也存在很大的难度；二是采用被动加热的办法，使液晶显示器在低温下正常工作。图2-8 ITO膜玻璃液晶屏外部加热法图2-9 ITO膜玻璃液晶屏内部加热法 将ITO膜（铟锡氧化物）加热玻璃放置在液晶屏的前面(见图2-8)，通过对ITO膜加电发热，从而加热液晶屏及背光源。这种方式的加热速度、效率都比较低，对显示器的低温启动时间不能过急，功率不能过大，否则会造成温度冲击而使液晶屏损环。 图2-9这种加热方式是将ITO膜玻璃紧贴在LCD液晶盒后面，通电加热时，能快速、高效加热液晶屏同时也能快速加热背光管这种加

59、热方式的难点是工艺复杂。图2-10 液晶显示器结构示图 图2-10 是液晶显示器的结构图，为了解决液晶屏的低温工作问题，在液晶盒的背面设计了一块半导体加热板。加热板在环境温度低于15时则接通电源加热；高于45时断开电源，仃止加热。加热板上的热流通过导热垫传递到金属压框，再由压框将热量传递至导电玻璃四周的夹层丝网。从而构成一个封闭的加温空间，使整个液晶屏在低温环境中能正常运行。 在加热板与压框之间加入导热垫，不仅使传热接触严密，同时能使压框与面板连接时起到弹垫作用，在防冲振中起到阻尼减振的效果。第三章 隔振设计与阻尼技术的应用3.1 概述 系统的振动特性受三个参数的影响，即质量、刚度和阻尼。对于

60、电子设备的振动和冲击隔离来说，隔振系统的质量一般是指电子设备的质量，而刚度和阻尼则由设备的支撑装置提供。用于减弱振动和冲击传递的支撑装置称为隔振器。在工程中，隔振器又称为减振器。采用减振器进行隔离是减弱振动和冲击对设备干扰的一种主要措施。因此，正确设计与选择减振器和合理应用阻尼技术是隔振系统结构设计中的关键。 在宽频带的振动环境中，尤其是干扰频率在共振经历时间较长时，减振器将引起系统产生过大的相对位移并在设备上作用很大的加速度，此时减振器的作用相反。在这种情况下，增加减振器的阻尼可以减小系统共振时的响应振幅。但不适当地增加阻尼却导致系统在隔振区的隔振效率下降，因此，减振器中的阻尼增加量值应根据