《電子設備可靠性工程》課件第7章

第7章

電子設備可靠性設計技術7.1可靠性熱設計7.2電磁防護設計7.3機械防振設計 7.1可靠性熱設計7.1.1熱設計基礎

熱設計的基本理論依據是傳熱學。掌握了不同傳熱過程的機理、理論和計算方法，就能有效地解決電子設備熱設計中的各種實際問題。

1.導熱

傅里葉定律是導熱的基本定律。其一維導熱計算公式為（7-1）

式中：Q——熱量，W;

k——物體的導熱系數(shù)，W/(m·℃)；

S——垂直于導熱方向上物體的截面積

；

t——攝氏溫度，℃；

x——導熱方向。

定義熱流密度為單位面積所通過的熱量，用符號q表示，即（7-2）

對一維單層平壁導熱，將式（7-1）在x方向結合邊界條件進行積分，可得導熱量計算公式：（7-3）

式（7-3）在形式上與電學中的歐姆定律類似，故熱路上熱阻的串、并聯(lián)與電路上電阻的串、并聯(lián)相似，因此可用電路的分析方法來計算導熱問題，這就是電熱模擬。

導熱發(fā)生在相互接觸的兩個物體表面時，由于實際接觸面間的不平整等其它原因，將會在接觸界面產生一個附加熱阻——接觸熱阻。影響接觸熱阻的主要因素有接觸界面接觸點的數(shù)量、形狀、大小及分布規(guī)律，接觸界面的幾何形狀（粗糙度和波紋度），間隙中介質的種類（真空、氣體、液體等），接觸表面的硬度，接觸界面間的壓力，接觸界面表面的氧化程度和清潔度，接觸材料的導熱系數(shù)等。粗糙度及接觸壓力對接觸熱阻的影響見圖7-1。圖7-1接觸熱阻與粗糙度、接觸壓力的關系

為了提高導熱能力，應減小接觸熱阻。其方法有：提高接觸表面的光潔度，增加接觸面間的壓力，在接觸界面涂一薄層導熱脂（導熱膏）或加一層延展性好、導熱系數(shù)高的材料薄片（如銅箔等）。

在電子設備中，有不少的導熱問題是屬于二維或多維的，其控制微分方程比較復雜，可用有限差分法或有限元法求解。如圖7-2是一塊電源印制板，其上裝有兩個功率晶體管和兩個功率電阻，印制板垂直安裝在溫度為70℃的冷板上，可用有限差分法求解各個安裝點的溫度。圖7-2電源印制板

以元件安裝中心為節(jié)點，將印制板分割成四個矩形小單元，如圖7-2（b）所示。假設所有的熱量均流向中心節(jié)點。以節(jié)點1為例，節(jié)點2和3的熱量流向節(jié)點1，加上節(jié)點1處元件的熱量，則節(jié)點1的熱平衡方程為（7-4）同理，節(jié)點2，3，4的熱平衡方程分別為（7-5）（7-6）（7-7）式中：

各節(jié)點之間或邊界與節(jié)點之間的導熱熱阻；冷板溫度。聯(lián)立求解上述四個方程，即可得

和

四個溫度。也可以進一步利用傅里葉導熱定律求出元件的表面溫度，若該溫度低于允許值，設計師可靠的，否則需要重新設計。

2.對流換熱

對流換熱是流體與另一物體表面相接觸時，兩者之間的換熱過程，它是流體的對流與導熱聯(lián)合作用的結果。換熱強度取決于流體流動的動力（自然對流或強迫對流）、流體流動狀態(tài)（層流或紊流）、換熱面的幾何形狀和位置、流體的物理性質等。對流換熱的計算采用牛頓冷卻公式：（7-8）表7-1各準則數(shù)的物理意義

1）自然對流換熱

所謂自然對流是指參與換熱的流體的運動完全是由流體各部分溫度不均勻所造成的浮升力而引起的流體流動現(xiàn)象。其換熱準則方程為（7-9）

表7-2式（7-9）中的C和a值

2）強迫對流換熱

強迫對流換熱準則方程隨換熱的場所及流動狀態(tài)而異，如表7-3所列。其中縱向掠過平板的換熱準則方程，也同樣適用于縱向掠過圓柱表面的換熱計算。表中腳標f表示確定流體物理性質參數(shù)的溫度（定性溫度）取流體的平均溫度，腳標w表示取壁面溫度，l是管長，d為管道直徑或當量直徑。表7-3強迫對流換熱準則方程

例7-1

某調制管的結構尺寸如圖7-3所示。其損耗功率為22W，玻殼允許溫度為100℃，環(huán)境溫度為60℃，假設由輻射散走的熱量為3.68W，試計算強迫風冷的空氣流速。

解

管子散熱面積為（m2）圖7-3調制管結構尺寸（W/(m2·℃)）由

計算速度v，即

3.輻射換熱

物體以電磁波方式向外傳遞能量的過程稱為輻射。如果落在物體上的所有輻射能量全部被吸收而沒有反射和穿透，則這樣的物體稱為黑體。熱輻射的基本定律是普朗克定律，它描述了黑體在不同溫度下輻射按波長分布的規(guī)律。將普朗克定律對所有波長范圍進行積分，可得到工程計算中十分重要的四次方定律，即(7-10)T——黑體的熱力學溫度，K。

(7-11)圖7-4兩表面間的輻射單元圖7-5三個表面間的輻射網絡

將上述各熱阻圖畫成網絡圖，如圖7-6所示。按直流電路的規(guī)則計算有效輻射

和

：結點

：結點

：（7-12）（7-13）其中：將

的值代入式（7-12）、（7-13）得：于是板1的輻射熱量

為板2的輻射熱量

為墻壁所得到的輻射熱量為圖7-6熱阻網絡圖

4.傳熱

前面簡要介紹了熱量傳遞的三種基本形式：導熱、對流和輻射。實際上，電子設備中的傳熱過程中總是有幾種傳熱形式同時存在。圖7-7（a）是對流—導熱—對流組成的串聯(lián)傳熱過程；圖7-7（b）是對流、輻射組成的并聯(lián)傳熱過程；圖7-7（c）是對流、輻射—導熱—對流、輻射的復合傳熱過程。其中Rd為對流熱阻、Rc為導熱熱阻、Rr為輻射熱阻。因此，電子設備中的傳熱過程可用類似于電路中電阻網絡的熱阻網絡法計算。圖7-7傳熱過程熱阻網絡圖7.1.2冷卻方法的選擇

1.熱設計基本原則

電子設備熱設計的目的就是要根據電子設備（或元器件）的熱特性（發(fā)熱功率、散熱面積、允許工作溫度、環(huán)境溫度等）及可靠性指標，確定其合理的冷卻方法，用較少的成本獲得高可靠性的電子設備。熱設計的基本原則為：保證冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)具有良好的冷卻功能，使設備內的原件都能在規(guī)定的熱環(huán)境中正常工作；盡量減小熱回路中從發(fā)熱元件表面到最終散熱對象（如散熱器等）之間的熱阻；保證冷卻系統(tǒng)工作的可靠性；冷卻系統(tǒng)要具有良好的適應性；冷卻系統(tǒng)要便與維護；冷卻系統(tǒng)的設計要具有良好的經濟性。

2.冷卻方法的選擇

電子設備冷卻方法選擇的依據是熱設計參數(shù)，包括設備（元件）的總發(fā)熱量、設備（元件）的允許溫升、設備的工作場所環(huán)境條件、結構尺寸、其它特殊要求（如密封、氣壓等），圖7-8是根據設備的允許溫升和熱流密度，確定散熱方法的選擇圖。圖7-8熱流密度、溫升與冷卻方法

由圖可知，當溫升為60℃時，自然散熱（對流和輻射）的表面熱流密度小于

，因此這種散熱方法不可能提供

的熱流密度。如果用強迫通風冷卻，則傳熱能力可提高一個數(shù)量級。若采用碳氟有機液沸騰冷卻，則可提供相當高的傳熱能力，且有很高的介電特性，可使大多數(shù)功率元件直接浸入工作液，其熱流密度將超過

。而溫升則小于10℃。

應該指出，熱流密度不能作為確定散熱方式的唯一標準，因為設備本身的冷卻能力、內部元件布置合理與否、有無熱敏元件等，均對冷卻效果有一定影響。因此，在確定冷卻方法時，一定要仔細進行論證或進行一些必要的模擬熱分析和試驗，以便得出一個較經濟可靠的冷卻方案。7.1.3電子設備的自然冷卻

1.自然冷卻的結構因素

1）機殼的熱設計

設備的機殼是接受設備內部熱量，并將其散發(fā)到周圍環(huán)境中去的一個重要組成部分，它的熱設計在采用自然散熱和一些密閉式的電子設備中顯得格外重要。經過一系列實驗驗證，可得如下結論：

（1）機殼內外表面涂漆（即提高黑度）、機殼開通風孔，均能降低內部元器件的溫度。由于顏色對黑度不是主要的影響因素，因此外表面顏色可以按機箱造型色彩學的要求選擇。

（2）機殼內表面和外表面涂漆的冷卻效果比表面光亮（黑度低）、且開通風孔的效果好。

（3）)機殼內表面和外表面均涂漆的冷卻效果比單面涂漆的效果好。

（4）在機殼內表面和外表面均涂漆的基礎上，合理地改進通風孔結構，加強對流，可以得到很好的冷卻效果。

2）通風孔面積計算

在機殼上開通風孔的目的是為了充分利用氣流的對流換熱作用。通風孔的形狀、大小應該根據人機工程學及換熱原理進行選擇。通風孔的位置要對準發(fā)熱元件，使冷卻空氣直接流過發(fā)熱元件，進出孔要遠離，切忌氣流短路而影響冷卻效果。通風孔的面積與通風孔散掉的熱量之間的關系可通過下式進行計算：（7-14）

2.印刷板組裝件的自然冷卻設計

1）電子元器件的熱安裝技術

印刷板上的元器件，主要依靠導熱提供一條從元件至印制板經導軌到機殼側壁的冷卻傳熱途徑，再由側壁傳至周圍環(huán)境或機箱的冷板散熱通道。目前常用的方法是在印制板上附一薄的金屬疊層（導熱條或導熱板），如圖7-9所示。引線較多的元器件，如雙列直插式集成電路、混合電路及維處理器等，約有一半的熱量是通過引線傳給導熱條（板）的，因此，可采用如圖7-9（c）的安裝方法，在印制板上有相應的金屬化涂覆孔，用來焊接引線，并能降低引線至印制板的熱阻。

為了減少元件底部和導熱條（板）間空氣間隙所產生的熱阻，可采用直接粘接法，把元件粘到印制板上（電器絕緣）。板上元件的安裝方向要符合冷卻氣流的流動特性，元件的長邊應沿流動的方向放置，以減小流動阻力。同一印制板上的元器件，應按其發(fā)熱量的大小及耐熱程度，分區(qū)放置，把不耐熱的元件放置冷氣的入口，耐熱性好的元件放在出口。元件的排列應使整塊印刷板的阻力和溫升均勻化。當有幾塊印刷板平行排列時，印制板的間距不宜相差太懸殊。圖7-9導熱條與導熱板結構

2）減小元器件熱應變的安裝技術

實用中的電子設備工作溫度范圍較寬（-50~+50℃），而元件引線的熱膨脹系數(shù)、印制板的熱膨脹系數(shù)以及焊點的熱膨脹系數(shù)都不一樣，這樣在溫度循環(huán)及高溫的條件下，將會產生熱應力，導致焊點的拉裂，印制板路的翹起、剝離，元件破裂、短路，以及系統(tǒng)中許多與熱應變有關的其他問題，因此，元件的安裝要考慮消除熱應變的結果措施。圖7-10（a）和（b）是軸向引線的圓柱元件（電阻、電容、二極管等）的安裝方法。在搭焊或插焊時，應提供最小的熱應變量，約為3mm；圖7-10（c）所示是最大的矩形元件（變壓器、扼流圈）。為了避免熱應變使焊點脫裂，應有較大的應變量，也可采用環(huán)形結構。圖7-10消除熱應變的元件安裝方法

雙列直插式集成電路，由于引線很硬，幾乎不可能留任何應變量，所以安裝時要特別仔細。圖7-11是雙列直插式集成電路的幾種安裝方法。功率較大的集成電路，可在殼體下部用金屬片作為導熱元件，厚度應滿足散熱要求。為了減小傳導熱阻，接觸界面可用粘接劑，如圖7-11（a）和（b）。功率較?。?.2W以下）的集成電路，可不用粘接劑，只要適當控制氣隙即可，如圖7-11（c）、（d）和（e）。圖7-11雙列直插式集成電路安裝方法

3）導熱條（板）的熱計算

當導熱條（板）上的電子元件功耗基本相同，并均勻分布時，可按均布熱負荷計算每個元件的溫升。如圖7-12所示的印刷板組裝件，以導熱條的中點為坐標原點，其上任意一點的溫升，可由下式計算：（7-15）圖7-12均勻分布熱負荷散熱印制板

例7-3

一些平面封裝集成塊，裝在散熱印制板上（圖7-12），每個集成塊的功耗為100mW，熱量由銅導熱條傳至印制板邊緣，導熱條厚度為0.07mm，寬為5mm，每個導熱條上有六個集成塊，試計算從印制板中心至邊緣的溫升。

解

按均勻分布熱負荷處理。因結構對稱，故只需計算系統(tǒng)的一半即可。根據題意，有

利用式（7-15），得

4）印制板導軌的熱計算

插入式印制板要有導向導軌，使其對準底座上的插座。導軌是印制板傳熱過程中的一個主要熱阻。圖7-13是一些典型的導軌結構，他們的單位長度熱阻分別為：（a）型300℃·mm/W；（b）型200℃·mm/W；（c）型150℃·mm/W；（d）型50℃·mm/W。其中（d）型叫楔形導軌，通過楔形塊的夾緊力，增加與印制板之間的接觸壓力，減小接觸熱阻。圖7-13導軌結構形式

例7-4

某印制板采用U型導軌，其單位長度熱阻為150℃·mm/W，見圖7-13（c），導軌的接觸導向長度為130mm，印制板上的功耗為10W，且均勻分布，試計算通過導軌的溫升。

解

因熱負荷均勻分布，每側導軌傳導的熱量為總功耗的一半，即Q=10W/2=5W，而導軌熱阻為

Rtl=150℃·mm/W，則3.晶體管散熱器的選擇

1）晶體管散熱器熱計算

晶體管結層上的熱量可通過不同的途徑傳至周圍介質。每一途徑都存在著熱阻，其過程可用電模擬的方式進行分析。(7-16)若則因此，圖7-15（a）可簡化成圖7-15（b）的形式，式（7-16）可改寫成(7-17)(7-18)圖7-14晶體管散熱模型圖7-15晶體管散熱等效熱路圖

散熱計算的基本依據是結溫不得超過最高允許值，但為保證電路工作的可靠性和穩(wěn)定性，計算時通常將tj取為（7-19）式中：tmax取決于晶體管的材料和工藝等，一般鍺管為80~100℃，硅管為125~200℃。

當tj、Rtj確定后，即可根據圖7-15（b）確定晶體管的管殼溫度tc：（7-20）界面熱阻Rtb包括接觸熱阻Rtc和絕緣襯墊傳導熱阻Rtc，即（7-21）

散熱器放熱熱阻Rtf取決于散熱器的結構形式、尺寸、所用的材料、周圍的環(huán)境溫度、散熱器放置的位置等，比較精確的計算可以通過計算機用熱阻網絡法求解。估算可采用（7-22）式：（7-22）（7-23）2）晶體管散熱器的選擇

散熱器的品種很多，有型材、叉指、環(huán)肋、輻射和散熱帽等散熱器，目前對型材和叉指型散熱器已有國家標準（GB7423.1-87~GB7423.3-87）?？筛鶕w管工作狀態(tài)和工作環(huán)境，利用標準中的熱阻曲線，進行正確選擇。圖7-16是叉指散熱器SRZ104的熱阻曲線，曲線（1）和（2）分別為仰放和側放；圖中為散熱器最高溫度點的溫度與周圍環(huán)境平均溫度之差。圖7-16SRZ104熱阻曲線

叉指型散熱器手冊中，熱阻小于19.1℃/W的有11種，從體積和重量考慮，SRZ101型或SRZ301型較好，無論豎放或側放，均能滿足要求。7.1.4電子設備的強迫風冷

強迫通風冷卻系統(tǒng)設計的重點在于合理控制和分配氣流，使其按照預定的路徑同行。元件排列時，應將不發(fā)熱或發(fā)熱量小的元件排列在冷空氣的入口，耐熱性差的元件排列在離入口最近處，其余元件可按它們耐溫的高低，以遞增的順序逐一排列；各元件在單元內排列時，應力求對氣流的阻力最?。徽麢C通風系統(tǒng)的進、出風口應盡量遠離，以避免氣流短路。

整機的通風形式可分為抽風、鼓風和抽風與鼓風串聯(lián)等。整機通風的風量由熱平衡方程計算：（7-24）

在一些軍用加固型計算機中，為了防止潮濕空氣影響印制板的電器性能，不允許冷卻空氣直接與電子元件接觸，冷空氣通過機箱的冷板結構以及由印制板背靠背形成的空芯風冷通道進行冷卻，如圖7-17所示。印制板采用導熱條（板）式的散熱印制板。這種空芯印制板通道的換熱系數(shù)可用下式計算：（7-25）圖7-17空芯印制板結構

當200≤Re≤1800，且通道為長寬比等于或大于8的矩形時，有（7-26）通道為正方型時：（7-27）當104≤Re≤1.2×106紊流時：（7-28）

當Re數(shù)在400至1500之間的層流范圍內，扁平肋片式冷板和熱交換器的考爾本數(shù)可按下式計算：（7-29）

以上各式的定性溫度（確定物體物性參數(shù)的溫度）為流體平均溫度

。

對于有專門通風管道的強迫通風系統(tǒng)，正確地設計和安裝通風管道對散熱效果有較大影響。在進行通風管道設計時應注意下面幾個問題：

（1）盡量縮短通風管道，以降低風道的阻力損失。

（2）盡可能采用值的錐形風道。直管不僅容易加工，而且局部阻力小。錐形管能保證氣流在風道中不產生回流（負壓），可達到等量送風的要求。

（3）風道的界面尺寸最好和風機的出口一致，以免因截面變換而引起壓力損失。風道的截面尺寸應能保持所需的雷諾數(shù)。

（4）進風口的結構設計原則是：一方面盡量使其地氣流的阻力最小；另一方面要達到濾塵的作用。

強迫冷卻系統(tǒng)的通風機可根據需要選擇軸流式風機和離心式風機。一般要求風量大、風壓低的設備可采用軸流式風機，風量小、風壓大的設備可采用離心式風機。若一個風機的風量不夠，可采用兩個風機并聯(lián)，此時，其風壓是每個風機的風壓，而風量為各風機風量之和。如圖7-18（a）所示，圖中H1是單個風機的工作靜壓，H2是兩個并聯(lián)風機的工作靜壓，

則分別為單個及并聯(lián)風機的工作風量。若風壓不夠，則可串聯(lián)使用，這時，風量基本上等于每臺風機的風量，風壓相當于各風機壓力之和，如圖7-18（b）所示，圖中H1，H2分別是單個風機及串聯(lián)風機的工作靜壓，

則分別是單個及串聯(lián)風機的工作風量。圖7-18通風機的串、并聯(lián)

設計通風冷卻系統(tǒng)時應考慮的結構因素有：

（1）抽風的冷卻效果比吹風形式好，因此在機箱風阻相同的情況下，盡可能采用抽風冷卻形式。

（2）為了提高冷卻效果，在冷卻氣流流速不大的情況下（Re不大），元件應按叉排方式排列，這樣可以提高氣流的紊流程度，增加散熱能力。

（3）設備中發(fā)熱區(qū)的中心線，應與入風口的中心線相一致或略低于入風口的中心線，以提高冷卻效率。分層結構的大型電子設備中，可將耐熱性好的熱源插箱放在冷卻氣流的下游，耐熱性差的放在上游。

（4）大型機柜在強迫通風時，機柜縫隙的漏風將直接影響效果，圖7-19（a）是密封不漏風的情況，風機位置對風冷效果沒有影響，沿高度方向任意一個發(fā)熱區(qū)斷面，風量基本是相同的。若機柜四周存在縫隙，當風機安裝在出口處抽風時，外界空氣從縫隙進入機柜，風量從入口至出口逐漸增加，如圖7-19（b）所示。當風機裝在入口處鼓風時，機柜內靜壓較高，氣流將從縫隙漏出，風量沿機柜高度方向是逐漸減少的，如圖7-19（c）所示。若采用串聯(lián)通風形式，機柜內部氣壓分成正壓區(qū)和負壓區(qū)兩部分，既有氣流從縫隙流入，也有從縫隙流出，沿機柜高度方向風量分布如圖7-19（d）所示。圖7-19機柜漏風的影響7.1.5其它冷卻方法

電子設備的其它冷卻方法有：液體冷卻（直接或間接液體冷卻）、半導體制冷、靜電制冷、射流冷卻和熱管傳熱等。大型計算機中的高功率密度集成電路采用導熱模塊冷卻技術（TCM）有明顯的冷卻效果，且可靠性高，有關這些冷卻技術可參考相關書籍和文獻，在此不再贅述。

7.2電磁防護設計

任何電子設備工作時，都將對其周圍環(huán)境產生一定的電磁輻射，自然界本身也產生一定的電磁環(huán)境（如地磁、雷電、宇宙射線等）。因此電磁兼容性包括兩個方面：一是指電子系統(tǒng)與周圍其它電子系統(tǒng)之間相互兼容的能力；二是指電子系統(tǒng)在自然界的電磁環(huán)境中按照設計要求正常工作的能力。為了提高電子設備的電磁兼容性能，應該對其進行電磁防護設計。設計的主要任務是：要求設備既能抑制其它設備的干擾，又能抑制自然界電磁作用的干擾，同時還要求減少設備本身對其它設備的干擾。

構成電磁干擾必須具備三個基本條件：存在干擾源；有相應的傳輸介質（耦合途徑）；有敏感的接收單元（被干擾源）。圖7-20是干擾源、被干擾源及傳輸干擾耦合途徑的一個例子。對電子設備進行電磁防護設計（兼容性設計），需要明確干擾源的性質、干擾源與被干擾源之間的耦合形式和防護設計的具體指標等。圖7-20耦合途徑7.2.1耦合方式

干擾源的信號必須耦合到敏感的接收設備才能形成干擾。耦合的概念一般指的是設備（電路）與設備（電路）之間電的聯(lián)系，耦合起著把電磁能量從一個設備（電路）傳送到另一設備（電路）中去的作用。干擾信號有兩種基本的耦合方式：

（1）傳導耦合

簡稱來自“路”的干擾，包括電路性傳導耦合、電容性傳導耦合及電感性傳導耦合。

（2）輻射耦合

簡稱來自“場”的干擾，包括近場感應耦合及遠場輻射耦合。

1.電路性傳導耦合

電路性傳導耦合也稱為共阻抗耦合，當兩個電路回路的電流流經一個公共阻抗時，一個電路回路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會影響到另一個電路回路。

最簡單的電路性傳導耦合模型如圖7-21所示。其中Z12是回路1和回路2的公共阻抗，當回路1有電壓V1作用時，該電壓經Z1加到公共阻抗Z12上，如果回路2開路，由回路1耦合到回路2的電壓為（7-30）圖7-22是地線電流流經公共地阻抗Z的耦合。地電流I1被I2所調制，故一些干擾信號由電路2經Z耦合到電路1.圖7-21傳導耦合的一般形式圖7-22共阻抗耦合

2.電容性耦合

電容性耦合亦稱為電場耦合，是通過導線間的電容使某一電路對另一電路形成電力線交鏈，從而在信號電路中引入了干擾。圖7-23為電場耦合作用示意圖。

圖中G為具有交變電壓的干擾源，在其附近有一受感器S通過阻抗ZS接地，干擾源G對受感器S的電場感應作用等效為分布電容CJ,從而形成了由VG，CJ和ZS構成的回路，在感受器S上產生的干擾電壓VS為（7-31）圖7-23電場耦合（7-32）

這種干擾多存在于設備內部平行導線之間及高電平的電路附近。

3.電感性耦合

干擾源的干擾波以電流的形式出現(xiàn)時，該電流產生的磁場對信號電路的作用可視為電感耦合。圖7-24為磁場穿過一閉合回路的示意圖，“×”表示磁場垂直于紙面指向紙內，Z1和Z2分別為回路中的阻抗。交變磁場在回路中產生的感應電壓為（7-33）圖7-24磁場耦合

4.輻射性耦合

輻射性耦合指干擾源的電磁能量經由遠場注入，并在另一電路產生感應電壓或感應電流。輻射性耦合不同于共阻抗耦合，這種耦合方式不需要存在傳導路徑；也不同于電場耦合或磁場耦合，輻射性耦合的受擾電路并非處于干擾源的近場區(qū)域。事實上，實際存在的任何電路都可以視作輻射源，電路中的每根金屬導體在某種程度上可以起到發(fā)射天線和接收天線的作用，并且可以視作多個基本輻射單元的疊加（圖7-25)。因此分析對電偶極子和磁偶極子所產生的場特性，就可將屏蔽分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。圖7-25載流導線輻射元疊加示意圖7.2.2屏蔽原理

１.電場屏蔽

電場屏蔽的實質是減小兩個設備（或兩個元件、電路、組件）間電場感應的影響，它包括靜電屏蔽和對高阻抗電場源的近區(qū)場（低頻時變電場）的屏蔽兩部分。

對于靜電屏蔽，只要將屏蔽體有效接地就可以收到良好的屏蔽效果。

低頻電場的屏蔽原理，采用電路理論加以解釋較為方便，因為干擾源與感受器之間的電場感應可用分布電容來進行描述，如圖7-26所示。圖7-26電屏蔽

從式（7-23）可以看出分布電容CJ越大，則感受器受到的干擾VS越大。因此屏蔽的目的就是為了消除寄生電容CJ，若CJ=0，則VS=0。為了減小G對S的干擾，可在兩者之間加入一屏蔽體J（金屬板），如圖7-25所示。原來的CJ被分成CJ1，CJ2和CJ3，由于CJ3很小，可忽略不計。

假設屏蔽體J對地阻抗為ZJ，則在J上產生的感應電壓VJ為

（7-34）感受器S上被感應的電壓（7-35）

從上面兩式可以看出，要使VS比較小，則ZJ應較小，而ZJ為屏蔽體的阻抗Zm和接地阻抗Zc之和。這一事實表明，屏蔽體必須選用導電性能好的材料，且必須接地。只有這樣，才能有效地減小干擾。若屏蔽體不接地或接地不良（接地阻抗大于2mΩ），將導致加屏蔽體后干擾變得更大。對這點應特別引起注意

2.磁場屏蔽

低頻磁場屏蔽包括兩部分內容：恒定磁場的屏蔽和對低阻抗磁場源的近區(qū)場（低頻時變磁場）的屏蔽。

因為自然界不存在單獨的磁荷，磁力線一定是閉合的，因此磁場的屏蔽只能利用屏蔽體對磁力線（磁場）進行分流，來切斷干擾源與感受器之間的磁力線交鏈。（7-36）式中：μ—材料的磁導率，H/m；

L—磁路長度，m；

S—磁路的橫街面積，m2。圖7-27磁路中的磁阻圖7-28屏蔽體的反射和吸收7.2.3屏蔽效能計算

屏蔽的有效性采用屏蔽效能（簡稱屏效）SE來進行度量，定義為屏蔽前（電場強度E、磁場強度H）后（電場強度E′、磁場強度H′）空間某點場強之比，可用下式表示：電場（7-37）

對于電路來說，屏效可用屏蔽前后電路某點上的功率、電流和電壓之比來定義，也可由外界耦合到某個關鍵器件上的干擾與器件所產生的噪聲之比來定義：（7-38）由于屏效的量值范圍很寬，為了便于表達，通常用分貝（dB）來計量，其關系式為或（7-39）1.低頻磁屏蔽的屏效

低頻磁屏效主要利用高磁導率的屏蔽體對干擾磁場的分路作用。由磁路分析法可得到屏蔽效能的近似計算公式。如圖7-29所示的矩形截面屏蔽盒的屏效為（7-40）式中：H0—屏蔽盒外磁場強度；

H1——屏蔽盒內磁場強度；

μr=μs/μ0-相對磁導率；

μs-屏蔽材料的磁導率；

μ0-空氣的磁導率。圖7-29導磁材料做成的屏蔽盒的作用圖7-30電磁屏蔽的屏蔽效能（磁場）2.電磁屏蔽的屏效

由圖7-30可以看出，高頻電磁場（H0或E0）從空氣進入金屬板時要產生反射（包括外表面反射和內部的多次反射），總的反射磁場強度為Hr。由于反射，抵消了一部分電磁能量，使干擾場受到衰減，稱之為反射損耗。此外，高頻電磁波在金屬板內傳播時，所引起的感應渦流將部分電磁能量以熱損耗的形式散掉，這一效應稱為吸收損耗。吸收損耗磁場強度為Hs,H1為透射磁場強度。因此，金屬板總的屏效為吸收損耗和反射損耗之和。經推導可以得到電磁屏蔽效能的計算公式為式中：f—頻率，Hz；

μr—屏蔽體材料相對于銅的磁導率（μ0=4π×10-7H/m）；

σr—屏蔽體材料相對于銅的電導率（σ0=5.82×107Ω-1·m-1）；

L—壁厚，cm；

R—干擾源至屏蔽體的距離，cm。

當場源特性不能明確時，可按式（7-43）進行計算。

圖7-31為0.1mm厚銅板的電磁屏蔽效能的計算實例，圖中A為吸收損耗；RE為電場的反射損耗；RH為磁場的反射損耗；RP為平面波的反射損耗。由圖可見，0.1mm厚的銅板，在頻率為10MHz時，其屏蔽效能可達100dB。圖7-310.1mm厚銅板的電磁屏蔽效能

例7-6

一長方形屏蔽盒的尺寸為120mm×25mm×50mm，材料為銅，銅盒厚度為0.5mm，求該銅屏蔽盒在頻率為1MHz時的電磁屏蔽效能。

解

先求屏蔽盒的等效半徑r：對于銅材，μr=1，σr=1，由式（7-43）得=110.5(dB)7.2.4電屏蔽結構

1.改善電接觸的結構

一般密閉屏蔽盒和機柜至少是兩件的組合體。要取得好的屏蔽效果，必須解決組合體之間的電接觸問題，使接觸電阻減至最小。其結構措施有：

（1）在屏蔽盒的側壁鉚裝導電簧片，使其與蓋緊密接觸，減小接觸電阻。

（2）將盒與蓋直接焊接在一起。

（3）盒與蓋之間用螺釘連接時，螺釘數(shù)量越多，接觸改善的效果越好。

（4）機柜門的四周做有凹槽，并在其中填裝導電彈性襯墊。

2.雙層門蓋結構

為了進一步提高屏效，機箱可采用雙層門，屏蔽盒可采用雙層蓋。與單層蓋的耦合等效電路相比，多了一次衰減，因而可提高屏效。但每層蓋依然要采取改善電接觸的措施，兩層蓋中央應避免直接接觸。圖7-32（a）為雙層蓋耦合示意圖；圖7-32（b）為其耦合等效電路圖；圖7-32（c）是雙層門蓋結構。其中C1是A與外蓋G1間的分布電容，C2為外蓋G1和內蓋G2之間的分布電容，C3為內蓋G2與B間的分布電容，Z1為外蓋G1與屏蔽盒S的接觸阻抗，Z2為內蓋G2與S的接觸阻抗。圖7-32雙層蓋耦合及其等效電路7.2.5低頻磁屏蔽結構

對低頻磁場的屏蔽作用是通過屏蔽盒的高導磁性能，即低磁阻來實現(xiàn)的。在設計時應仔細考慮屏蔽盒上的接縫與孔洞的處理，以減小它們對屏蔽效能的影響。

1.合理布置接縫與磁場的相對方位

當磁場方向垂直于接縫時，磁通流經接縫的磁阻較大，若磁場平行于接縫，則接縫的磁阻不起作用。因此，接縫相對磁場的方位應使磁通不流經或大部分不流經接縫為宜。圖7-33時為減小外界磁場對示波管產生干擾的屏蔽罩。若安放不正確，如圖（a）所示，接縫處的磁阻使左邊的磁通流經屏蔽罩時受到阻礙，磁力線偏移。正確放置時，如圖（b）所示，外磁場的磁通基本上不流經接縫。圖7-33示波管屏蔽罩接縫布

2.減小接縫磁阻

低頻磁屏蔽盒一般有鈑金工藝制作，因此盒與蓋之間的配合精度不高，允許盒與蓋的接縫處有一定的間隙。為了減小接縫磁阻，常采用增加盒與蓋的套入高度及用螺釘連接使盒與蓋靠緊的結構。對盒本身的接縫，可用導磁材料密焊。

3.正確布置通風孔

通風孔的布置原則是：除滿足熱設計的要求外，應盡可能少地減小導磁截面積和不增加導磁回路的長度，即盡量不增加屏蔽的磁阻。

圖7-34為矩形通風孔。根據圖示的磁場方向，因圖（a）的孔位大大減小了導磁截面，所以不正確。應按圖7-34（b）的方式排列。圖7-34矩形通風孔布置圖7-35圓形通風孔布置

4.雙層磁屏蔽

為了解決屏蔽效能與屏蔽體積和質量的矛盾，在要求屏蔽效能更高時，就不能單純采取加厚盒壁的方法，而應采取雙層屏蔽結構，如圖7-36所示，這樣就能在屏蔽盒體積和質量增加不多的情況下，顯著地提高屏蔽效果。采用這種結構時應注意：

通過內外層屏蔽盒的引線，應在兩層之間加濾波電路；

內外層屏蔽盒間只能采用一點連接（可采用扁銅條或短銅桿），使內外層上的電路相互隔開，不產生耦合。圖7-36雙層屏蔽7.2.6濾波設計

1.電磁干擾濾波器

電磁干擾濾波器，即(ElectromagneticInterferenceFilter)EMI濾波器，是抑制傳導干擾最為有效的手段。它包括信號線濾波器和電源線濾波器。信號線濾波器允許有用信號以較小的衰減通過，同時大大衰減雜波干擾信號。電源線濾波器又稱為電網濾波器，它也是以較小的衰減把直流、50Hz、400Hz的電源功率傳輸?shù)皆O備上去，卻大大衰減經電源線傳入的EMI信號，保護設備免受其害。同時，它又能抑制設備本身產生的EMI信號，防止它進入電網，污染電磁環(huán)境，危害其它設備。

常見的EMI濾波器可以定義為一個低通網絡，它由電感、電容或電阻等無源器件組合而成。也可根據實際使用所需，將其設計為帶通或高通濾波器。如為了抑制超短波電臺饋線的傳導干擾，又不影響正常工作頻率，可設計成帶通濾波器。一般可根據其電路形式分為L型、T型、

型等基本電路形式。

EMI濾波器對干擾噪聲的抑制能力用插入損耗IL(InsertionLoss)來衡量。插入損耗定義為：沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P1和接入濾波器后，從噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P2之比，用dB(分貝)表示，濾波器接入前、后的電路如圖7-37所示：

圖7-37濾波器插入損耗的定義由定義有：(7-44)(7-45)由圖7-37(a)可得：由圖7-37(b)可得：由以上各式聯(lián)立解得U2：將U1、U2代入式(7-45)得：(7-46)式中，A、B、C、D為A參量矩陣的四個元素。

2.瞬態(tài)脈沖限幅器

瞬態(tài)脈沖干擾的限幅濾波主要是針對包括雷電、浪涌、高功率微波武器等這類瞬態(tài)電磁脈沖進行抑制，以實現(xiàn)強電磁脈沖干擾的電磁防護。

限幅濾波，是指帶外濾波，帶內限幅的方法。對于電源線和信號線等耦合途徑，傳統(tǒng)的一些抑制雷電或者靜電放電浪涌的常用瞬態(tài)抑制器件包括氣體放電管（GDT，GasDischargeTube）、瞬態(tài)電壓抑制器（TVS,TransientVoltageSuppressor）和壓敏電阻（MOV）等。除了上述成熟的防護技術，還有一些新型的防護技術，主要包括波導等離子體限幅器，微帶彎曲發(fā)夾等離子體濾波限幅器、等離子體濾波器等。另外，對于天線等空間耦合途徑，最新技術研究可以采用頻率選擇表面（FSS,FrequencySelectiveSurface）和能量選擇表面（ESS,EnergySelectiveSurface）進行抑制。

1）常用瞬態(tài)抑制器件

瞬態(tài)抑制器件GDT、MOV和TVS都可以看作是一個具有開關特性的抑制器件，使用時，與被保護電路并聯(lián)，如圖7-38。三者的工作原理具有共同點：當正常電壓工作時，器件呈高阻態(tài)，處于“關”狀態(tài)，無電流通過或電流極小，不影響電路的正常工作；當有瞬態(tài)浪涌電壓通過電路時，器件由高阻態(tài)轉變?yōu)榈妥钁B(tài)，處于“開”狀態(tài)，電路短路，以旁路的方式將瞬間的大能量泄放至地，保護后續(xù)電路不受大電壓侵害，防止電路的降級甚至燒毀。圖7-38瞬態(tài)抑制器件的安裝位置

氣體放電管是由封裝在小玻璃管或陶瓷管中的惰性氣體，并有相隔一定距離的兩個電極組成，見圖7-39；壓敏電阻，是被玻璃釉包裹的多個氧化鋅顆粒，形成許多微型PN結，可以說，壓敏電阻是一種多種PN結串并聯(lián)的集合體，見圖7-40。而TVS管是一種特殊的二極管，是有半導體硅材料制造，見圖7-41；圖7-39氣體放電管的實物圖、典型結構圖和電路符號圖圖7-40壓敏電阻的實物圖、典型結構圖和電路符號圖圖7-41TVS瞬態(tài)電壓抑制器的實物圖、典型結構圖和電路符號圖

2）等離子體濾波限幅器

等離子體是是一種有自由電子和帶正電離子為主要成分的集合體，其中正電荷和負電荷電量相等，宏觀上呈電中性，故稱為等離子體，常被視為物質的第四態(tài)—等離子態(tài)。

從電磁波與等離子體相互作用和防護強電磁脈沖的角度來看，需要考慮等離子體的兩個特性，一是等離子體的振蕩性，另一個是等離子體對電磁波的衰減特性。

等離子體的振蕩性說明等離子體存在一個等離子體頻率

，其表達式為（7-47）圖7-42波導等離子體限幅器

等離子體是通過外加電源和入射電磁波共同作用下將具有一定壓強的填充氣體，如氙氣，電離產生的。當入射電磁波的能量足夠大，能夠快速反應產生相應濃度的等離子體，從而對入射的電磁波進行限幅濾波，從而實現(xiàn)防護的目的。波導或者濾波器中的等離子體結構相當于一個開關裝置，當正常信號入射，此時處于關狀態(tài)，不影響正常信號的傳輸，當強電磁脈沖入射進入系統(tǒng)，等離子體形成，處于開狀態(tài)，反射或者吸收入射能量。7.2.7接地設計

所謂“地”，一般是指電路或系統(tǒng)的零電位參考點或直流電壓的零電位點。電子設備中任何電路的電流都需經過地線形成回路，而地線或接地平面總有一定的阻抗，該公共阻抗使兩接地點間形成了一定的電壓，而引起接地干擾；同時，恰當?shù)慕拥亟o高頻干擾信號形成了低阻通路，抑制了高頻信號對其它電子設備的干擾。

為了抑制地線產生的共阻抗耦合干擾，目前常用的有“三套法”和“四套法”接地技術。

“四套法”是指設備內按信號大小及噪聲源情況分別設置四套接地通道：

敏感信號地與小信號地（如低電平電路、前級放大器、混頻器等）；

不敏感信號地及大信號地（如高電平電路、末級放大器、大功率電路等）；

干擾源地（如電機、繼電器、接觸器等）；④金屬構件地（包括機殼、底板及門等）。這種接地方法是一種比較完善的接地技術。

將“四套法”中的某兩類地合并，便形成“三套法”接地系統(tǒng)。通常采用的是信號地、噪聲地和金屬地這三套地系統(tǒng)。若設備使用交流電源，則電源地線應與金屬地相連。圖7-43是“四套法”接地系統(tǒng)。圖7-43“四套法”接地系統(tǒng)圖7-44信號地線接地形式

信號地線是指信號電路德地線或有信號電流流通的地線。交流電源的地線不能作為信號地線。信號地線的接地形式如圖7-44所示。圖7-44（a）為共用地線串聯(lián)一點接地，大多使用在各電路的電平相差不大的場合。若各電路的電平相差很大，則不能使用，因高電平電路將產生很大的地電流，形成大的地電位差并干擾到低電平電路中去。圖7-44（b）為獨立地線并聯(lián)一點接地。其優(yōu)點是完全消除了公用地電流的耦合，有效地消除了電路間的噪聲串擾。其缺點是地線較多致使結構笨重、復雜，且隨著頻率增加，地線阻抗、地線間的電感及電容都會增大，因此這種接地方式不適用于高頻。圖7-44（c）是多點接地。該方式降低了地線阻抗，可用于高頻段。

7.3機械防振設計

7.3.1振動與沖擊對電子設備產生的危害

振動與沖擊對電子設備產生的危害有：

（1）設備在某一激振頻率作用下產生共振，最后因振動加速度超過設備的極限加速度而破壞設備，或者由于沖擊所產生的沖擊力超過設備的強度極限而使設備破壞。

（2）長期振動或多次沖擊會使設備疲勞破壞。

（3）振動引起彈性零件變形，使具有觸點的元件（電位器、波段開關等）可能產生接觸不良或完全開路的問題。

（4）機械振動會使防潮和密封措施受到破壞，使螺釘、螺母松開甚至脫落，使指示儀表指針不斷抖動，引起讀數(shù)不準。

為了保證設備在機械環(huán)境中長期可靠地工作，常用的防護設計有減弱或消除振源，去諧、去耦，剛性化、小型化，隔離振源等。7.3.2隔振設計

隔振使將彈性元件（如減振器）正確地安裝在設備與支承結構之間，這樣可在一定的頻率范圍內減小振動的影響，是防護電子設備受到振動與沖擊的一種重要方法。

根據隔振要求的不同，可以分為積極隔振（或主動隔振）和消極隔振（或被動隔振）兩大類。

當研究對象本身是有振源的機器，為了減小它對周圍儀器及建筑物的影響，將其與基礎或支承結構隔離開，稱為積極隔振。例如將電動機、鼓風機進行隔離，以減小傳到基礎或支承結構上的激振力。對于積極隔振，如圖7-45（a）所示，假定設備上受到角頻率為ω、幅度為H的激振力，傳遞給支承結構的力的角頻率也為ω，而幅值為P。定義積極隔振系數(shù)η為傳遞幅值P與激振力幅值H之比，即（7-48）

當基礎或支承結構本身是振源時，要將設備與振動的基礎相隔離，這種隔振稱為消極隔振。例如裝在飛機上的電氣儀表、操縱系統(tǒng)等等受到的激振就是由于機體支承結構的振動引起的。對于消極隔振，如圖7-45（b）所示，支承結構以角頻率ω、幅值H正弦振動，而設備則以角頻率為ω、幅值為B振動，定義消極隔振系數(shù)η為設備振動幅值B與支承結構振幅H之比，即（7-49）圖7-45隔振原理經推導，積極隔振和消極隔振的隔振系數(shù)的表達式均為（7-50）式中：D—系統(tǒng)的阻尼比，D=實際阻尼系數(shù)/臨界阻尼系數(shù)；γ—頻率比

積極隔振的隔振系數(shù)表示系統(tǒng)激振力對外界的隔離，消極隔振的隔振系數(shù)表示系統(tǒng)對外界振動位移的隔離。

圖7-46為式（7-50）所確定的曲線，稱為隔振系數(shù)曲線。它表示阻尼比D和頻率比γ變化時對應的η變化規(guī)律。圖中，E表示隔振效率，E=1-η，從圖中可得到以下結論：圖7-46隔振系數(shù)曲線

（5）γ越大，η越小，隔振效率E越高。但γ>5以后E提高甚微，故在實用上一般將頻率比取在γ=2.5~5的范圍內。

從上面的討論可以看出，隔振設計的主要任務是選擇和設計適當?shù)臏p振器，進行合理的布置，使系統(tǒng)的固有頻率盡可能低于激振頻率，即滿足

的條件。若把電子設備看成剛體，則在一般情況下帶有減振器的設備是具有六個自由度的振動系統(tǒng)（三個沿坐標軸的平移振動和三個繞坐標軸的旋轉振動），因此就有六個固有頻率。這些自由度之間可能是耦合的，也可能是非耦合的。振動的耦合情況主要取決于設備重心的位置、減振器的安裝方式、每一減振器的剛度等。減振器的安裝應使系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作，力求六個自由度之間的振動不要耦合，并盡量使六個固有頻率能相互接近。為達到這些要求，減振器的配置應滿足兩個條件：

（1）當設備從其平衡位置沿坐標軸平行移動一距離時，各減振器對設備的作用力的合力通過設備的重心。

（2）當設備繞某坐標軸轉一微小角度時，各減振器作用力合成一力偶，力偶作用平面與該軸垂直。

圖7-47時電子設備中幾種常用的減振器安裝形式，其中圖7-47（a）是重心安裝系統(tǒng)，圖7-47（b）是底部安裝系統(tǒng)。這兩種形式最為常見