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1、电子设备的环境防护设计电子设备的环境防护设计 梁绍文梁绍文 20072007年年2 2月月 电子设备的环境防护设计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。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、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 机载计算机系统机载计算机系统 系统的环境条件要求如下：系统的环境条件要
2、求如下： （1 1）气候环境条件）气候环境条件 工作温度工作温度 -25-25+55+55 贮存温度贮存温度 -55-55+70+70 相对湿度相对湿度 10%10%90%90% （2 2）、振动试验要求）、振动试验要求 正弦振动正弦振动 101023Hz 0.44mm23Hz 0.44mm、232352Hz 15m/s52Hz 15m/s、 52522000Hz 50m/s2000Hz 50m/s 随机振动随机振动 A A、标准振动环境，总均方值加速度为、标准振动环境，总均方值加速度为4.12g4.12g，持续时间为，持续时间为1 1小时。小时。 101040Hz +6dB/oct40Hz
3、+6dB/oct、4040500Hz 0.02g/Hz500Hz 0.02g/Hz、 5005002000Hz -6dB/oct2000Hz -6dB/oct B B、耐久振动环境，总均方值加速度为、耐久振动环境，总均方值加速度为6.08g6.08g，持续时间为，持续时间为3 3小时小时 。 101040Hz +6dB/oct40Hz +6dB/oct、4040500Hz 0.04g/Hz500Hz 0.04g/Hz、 5005002000Hz -6dB/oct2000Hz -6dB/oct （3 3）、电磁兼容测试要求）、电磁兼容测试要求 按按GJB151A97GJB151A97要求，进行如
4、下顶目测试。要求，进行如下顶目测试。 CE102 10KHzCE102 10KHz10MHz10MHz电源线传导发射；电源线传导发射； CS101 25HzCS101 25Hz50KHz50KHz电源线传导敏感度；电源线传导敏感度； CS114 10KHzCS114 10KHz400MHz 400MHz 电缆束注入传导敏感度；电缆束注入传导敏感度； CS115 CS115 电缆束注入脉冲激励敏感度；电缆束注入脉冲激励敏感度； CS116 10KHzCS116 10KHz100MHz100MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度；电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度； RE102 2MHzRE10
5、2 2MHz18GHz 18GHz 电场辐射发射；电场辐射发射； RS103 30MHz RS103 30MHz 18GHz 18GHz 电场辐射敏感度。电场辐射敏感度。 第一章第一章 电磁兼容（电磁兼容（EMCEMC）设计）设计 1.11.1系统（整机）的电磁兼容（系统（整机）的电磁兼容（EMCEMC）分析及防护措施）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1919 高高4U4U的组架式插箱。显示器也重新设计，为高的组架式插箱。显示器也重新设计，为高8U8U宽宽1919组架标准插箱，组架标准插箱， 屏幕为屏幕
6、为15.1TFT15.1TFT液晶显示器。还有键盘和鼠标，在使用时安装在控制台液晶显示器。还有键盘和鼠标，在使用时安装在控制台 上。上。 由于工业档计算机不能满足国军标由于工业档计算机不能满足国军标GJB151A-97GJB151A-97的测试要求及其他的测试要求及其他 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9000-9000-型型 ）计算机迸行过摸底测试，结果发现相差甚远，图）计算机迸行过摸底测试，结果
7、发现相差甚远，图1-11-1、图、图1-21-2是对它们是对它们 的的RE102RE102电场发射辐射测试曲线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，工控机系统在可以看出，工控机系统在14KHz14KHz1GHz1GHz的频段内几乎全的频段内几乎全 部超出曲线的极限值，尤其在部超出曲线的极限值，尤其在30KHz30KHz300KHz300KHz的频段的辐射的频段的辐射 发射值高达发射值高达100100分贝微伏；一体化便携式计算机在分贝微伏；一体化便携式计算机在14KHz14KHz 1GHz1GHz频段内也全线超标。尽管这些设备都是
8、通过了民品频段内也全线超标。尽管这些设备都是通过了民品EMCEMC 标准的标准的( (如如FCCFCC、VDEVDE、CISPR22-1997CISPR22-1997、EN55022-1998EN55022-1998、 GB9254-1998GB9254-1998等等) )，但是它们的要求低得多，必须重新进行加，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。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
9、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 、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
10、盖和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，如图面板三部分组成，如图1-31-3所示。所示。 面板采用面板采用4mm4mm厚的铝板加工，面板左侧是通风散热的进厚的铝板加工，面板左侧是通风散热的进 风口，进风口做成风口，进风口做成16211621个个4mm4mm的孔阵，每两孔的中心距为的孔阵，每两孔的中心距为 6mm6mm，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；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
11、胶圈、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。，关紧时与面板保持严密接触。 箱体和上盖由箱体和上盖由1.2mm1.2mm厚的钢板做成，它们之间的接触面厚的钢板做成，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衬垫）并盖上底座和锁紧时，则达到密封屏蔽的目的 。 图图1-3 1-3 主机机箱屏蔽示图主机机箱屏蔽示图 1.21.2机箱电磁屏蔽机箱电磁屏蔽 主机机箱的屏主机机箱的屏 蔽设计蔽设计 图1-4 主机机箱后视图 如图如图1-41
12、-4所示，主机箱的后部左侧是通风散热的出风口，所示，主机箱的后部左侧是通风散热的出风口， 它是由多个它是由多个4mm4mm的小圆孔构成一个圆形排列的孔阵，对应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。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。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
13、；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；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( (见见 图图1-5)1-5)，其屏蔽效能（平面波）达，其屏蔽效能（平面波）达80dB80dB（1GHz1GHz）60dB60dB（ 10GHz10GHz）。各个连接插
14、座与机箱的接触面之间都装有专用铍铜）。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 蔽效能可达蔽效能可达95dB95dB（100KHz100KHz）75dB75dB（1GHz1GHz），因此主机机），因此主机机 箱的孔洞是满足屏蔽要求的。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面板的通风孔尺寸见图1-61-6。面板的厚度为。面板的厚度为4mm4mm，为了减小风阻，在面，为了减小风阻，在面 板的内表面加工了板的内表面加工了2mm2mm深的坑，
15、因此通风口处的厚度实际上只有深的坑，因此通风口处的厚度实际上只有2mm2mm厚，厚， 即即t=2mmt=2mm。其它参数为：。其它参数为： 取取CPUCPU的主频的主频800MHz800MHz，=3=31010 8 8 /80010/80010 6 6 （mm）=37.5=37.5（cmcm） dd孔径，孔径，d=4mmd=4mm a a孔眼的表面积，孔眼的表面积，a=3.14da=3.14d 2 2 /4=0.126/4=0.126（cmcm 2 2 ） nn每平方厘米的孔眼数。每平方厘米的孔眼数。 通风孔数通风孔数=1621=336=1621=336（个）（个） 通风孔区的面积通风孔区的面积= =（150.6+0.4150.6+0.4）（）（200.6+0.4200.6+0.4）=116.56=116.56（cmcm 2 2 ） n=336/116.56=2.88n=336/116.56=2.88（个（个/cm/cm 2 2 ） 屏蔽效能屏蔽效能 SE=32t/d+20lgSE=32t/d+20lg（/2d/2d）（）（r/dr/d）- -10lgan10lgan 2d 2d SE=32t/d+20lgSE=32t/d+20lg（/2d/2d）- -10lgan10lgan =3
