基于應用環境下的電子設備產品適應性結構設計

孫 濤，李海波

(西安愛科賽博電氣股份有限公司,陜西 西安 710119)

0 引 言

隨著戶外電子設備應用場景的不斷拓展，會遭遇到氣候條件、地域因素、溫濕度變化、機械沖擊、電磁干擾(EMI)等多樣性應用環境的挑戰，存在著導致設備功能下降或失效的風險。為保障設備在產品生命周期內就上述可能遇到的各種環境作用下能實現其所有預定功能和性能不被破壞，產品的環境適應性設計已經成為考量電子設備功能的一項重要指標。

而就環境適應性所涉及的鹽霧、潮濕霉菌、振動沖擊、散熱、EMI等問題的應對方案在設計論證層次而言，從環境控制、環境隔離到加固設計、布局優化等環節，都受制于產品結構設計的協同實現，其設計方案和結構方案也往往深度耦合且強相關。產品適應性設計的盲區往往出現在多個學科業務領域邊界缺乏關注的外延部分，這也是產品適應性設計的痛點。設計活動中出現的問題，往往越是在早期解決越能有利于產品的實現。所以在產品方案初期，就應用環境對設備影響和危害進行分析，重視結構方案設計與各業務領域的相關性，以之為切入點，對業務盲區進行梳理，對后續產品的適應性設計能夠起到提綱挈領的作用。

1 設備應用環境的分類及影響

依照電子設備使用環境的不同，環境因素可以分為受控與非受控環境、地域環境、力學環境和電磁環境。這些應用環境對電子設備的影響如下：

1.1 受控與非受控環境

依照對電子設備的影響,自然環境可分為受控環境和非受控環境。受控環境也稱為A類環境，指設備工作在溫度受控的室內或者有人居住的房間，空氣相對濕度可控制在65%以下的環境。而非受控環境又分為B類環境、C類環境和D類環境。B類環境指設備工作在一般室外環境，有簡單遮蓋，濕度偶然會達到100%，溫度不受控，但沒有高鹽分空氣或污染物影響的環境。C類環境，指設備暴露在陸地上，距地面2～3 km，有冶煉、煤礦、熱電、化工等污染源，或離海洋0.5～3.7 km的高鹽分的陸地環境。D類環境，指設備距離海岸線500 m內，暴露在海上或海岸邊大氣中，受到風吹日曬雨淋的室外環境。

在非受控環境下，設備影響在于潮濕、鹽霧、霉菌引起的化學腐蝕、電偶腐蝕和有機腐蝕，導致的設備結構電氣理化性能損傷。以電偶腐蝕為例，設備工作時，由于溫濕度變化，內部產生凝露，積聚后吸附含外界鹽分、金屬離子粉塵成為帶電解離子的腐蝕溶液；當設備不同器件金屬表面間存在電位差，并在該處發生凝露匯集時，帶電解離子的腐蝕溶液在金屬間搭接產生回路，形成電偶腐蝕。短時間內即可造成鈑金結構、器件的快速銹蝕、短路、失效。

潮濕環境下霉菌的危害在于其能夠對電氣的絕緣材料進行直接或間接的侵蝕，霉菌能分解材料，并作為自己的養分，這會導致導致設備材料的劣化，如聚氯乙烯制品、聚氨酯(某些聚酯和聚醚)、有機填充材料的塑料。這種直接或間接的侵蝕還會導致電子和電氣系統的損害，在絕緣材料上形成不希望有的導電通路，并對精密調節電路的電特性發生影響。

1.2 地域環境

地域環境對電子設備的影響主要體現在海拔因素。海拔高度上升會導致大氣壓和空氣密度下降，引起電子設備的風機、空調散熱和冷卻性能衰減。氣壓降低又導致以空氣為絕緣介質的設備絕緣性能下降，為消除放電，使產品符合安規要求，必然就設備電氣間隙距離進行調整，從而導致電氣安規距離提高。影響分別如圖1所示。

圖1 海拔高度對電子設備散熱和安規設計的影響

其次為伴隨高海拔太陽輻射熱效應，與高溫產生熱效應機理不同，太陽輻射熱效應具有方向性的熱梯度，當設備各類器件材料和部件以不同的速率和膨脹或收縮，會產生嚴重的應力并破壞器件結構完整性。太陽輻射的紫外線部分還會產生光化學反應，導致織物、塑料變色，涂層開裂、變色、粉化，天然橡膠、合成橡膠等聚合物的劣化。

1.3 力學環境

當設備為車載、艦載、機載環境，或在運輸、裝卸條件下都會存在沖擊和振動。沖擊會直接對設備結構和功能產生影響，沖擊的響應分量由施加在設備上外部激勵環境的強迫響應分量和隨后的設備固有頻率響應分量組成。沖擊易導致結構件過應力，產生永久變形，加速疲勞，導致晶體、陶瓷、環氧樹脂、玻璃封裝器件破裂、失效。而振動導致設備及內部結構產生動態位移，其位移及相應的速度、加速度會引起結構件疲勞，導致器件松動、斷續接觸和功能損壞。

具體案例如圖2所示[1]，在振動激勵作用下，垂直于軸向的印制電路板面，加速度使其產生偏移，前后彎曲，導致固定器件與電路板的引線產生彎曲應力。印制電路板、器件本體、引線間發生相對運動產生動態應力。在該環境下,大多數器件的失效都是由焊點開裂、密封破壞、引線斷開而引起。當耦合諧振出現在器件或印制電路板中時，這種相對運動最為嚴酷。

圖2 典型安裝的印制板在振動時引起的元器件引線彎曲

1.4 電磁環境

主要是針對器件、電路板、設備、系統在電磁環境下運行時發生的電磁干擾問題。當多個高精度、高靈敏的電子設備安裝于狹小緊湊的空間(如車載、艦載和機載環境)里，設備間產生相互干擾，影響敏感設備的正常工作，導致裝置、設備或系統性能下降。

電磁干擾形成的3個要素是干擾源、傳播耦合通道和敏感設備。干擾源發出的電磁能量，通過某種耦合通道傳輸至敏感設備，導致敏感設備出現某種形式的響應并產生效果，其過程和影響稱為電磁干擾效應。當干擾導致設備和系統失靈，可能會引起嚴重事故。

2 就環境適用性開展結構方案設計的前提

環境適應性設計的前提，是整個產品設計團隊就應用環境對設備影響和危害有充分的認識，對各自業務領域的功能指標服從于整體環境適應性指標的認知高度一致，這也是后期產品順利就結構方案開展環境適應性設計的保證。就整體功能指標、結構質量特性、氣候環境特性、耐機械沖擊、熱設計特性、電磁兼容特性等各指標之間的相關性或者耦合特性進行分析，按照表1相關性由弱到強地進行結構環境適應性解耦設計。

表1 環境適應性指標特性的相關性強弱分析

注：+，強相關;-，弱相關

3 環境適應性下的結構方案設計

3.1 非受控環境下結構設計

就非受控環境下的電子設備結構部件，按照設計用途、適用環境等級，其材料及緊固件選型、表面涂覆工藝處理必須與設計應用環境相一致。

當設備工作在戶外，暴露于自然環境，受到風吹日曬、雨雪冰雹直接作用的機械結構件稱為I型結構件。反之，處于設備內部只受到間接影響的結構件稱為II型結構件。工作在B類環境下的I型結構件可采用熱鍍鋅鋼板，外表不能有切口和焊縫，表面噴涂室外粉末涂層；當設備結構屬于直通風時，其緊固件表面處理工藝為鍍鋅鎳；或選用常見的鍍彩鋅、黒鋅工藝緊固件。

C類環境下的I型結構件和螺紋緊固件可采用奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10或443，表面鈍化。當不銹鋼與鋁鋅基材的零件接觸時，為避免電偶腐蝕，不銹鋼表面應進行噴粉或作鋅鋁涂層絕緣工藝處理。

D類環境下I型結構件的材料選型和表面處理工藝與C類相同，但螺紋緊固件應為022Cr17Ni12Mo2，當設備內部相對濕度不能控制在65%以下時，結構件嚴禁設計為戶外直通風。當為車載或艦載時可采用鋁合金件，表面采用陽極氧化、聚氨酯清漆或采用導電氧化處理，選用鍶黃底漆，然后再噴面漆。

3.2 器件三防工藝、灌封材料選型和結構防腐蝕設計

當設備工作于非受控環境下時，僅靠箱體或柜體的表面防護設計，對設備內部器件的防護是有限的。為保證器件可靠性，首先要對調試后印制板和功率模塊作三防涂覆工藝處理。在被涂覆物表面生成一層20～200 μm的保護膜，使被涂覆物與周圍環境進行隔離。但它不耐振動沖擊，膜層間有針孔，不能完全耐水汽侵蝕，僅適用于一般大氣環境和艙內電子設備。

對暴露在濕熱、鹽霧和霉菌環境下的器件，還需要采用環氧樹脂、有機硅或聚氨酯等灌封材料對電子器件進行封裝，與環境徹底隔絕，保證電氣性能不受影響。灌封材料選型時要考慮材料理化特性并權衡被灌封器件的維修性和可靠性。環氧樹脂性能穩定、附著力強、耐絕緣、耐磨和強度高，灌封后尺寸穩定和耐輻照性較強。缺點是彈性韌性不足，脆性大，固化時有內應力，有導致脆性器件開裂的可能,且封裝為一次性，灌封后無法拆裝，不可維修，適用于高壓變壓器類可靠性較高的元件。有機硅凝膠和聚氨酯屬于彈性封裝材料，綜合性能好，易拆裝，可維修性強，適用于復雜電路、印制板、模塊類器件。

為降低腐蝕環境對設備的影響，戶外結構件表面形狀應簡單、光滑、避免尖角；為避免內部積水、凝露、濕氣和腐蝕介質，底板應設計一定的傾角，可以排露排液。不同金屬的搭接表面，I型結構件表面金屬電極電位差應控制在0.25 V以內；Ⅱ型結構件電極電位差應控制在0.5 V以內，以避免電偶腐蝕。對不滿足電位差要求的金屬，必須搭接時，可選擇涂覆絕緣保護層、增加絕緣襯墊、填充密封膠或鍍覆過渡金屬層處理。

3.3 振動沖擊環境下的隔振機理及結構加固設計

抑制振動和沖擊的方法有消除振源、去諧、去耦、阻尼、小型化和剛性化。評價結構系統隔振性能的參數為振動傳遞率。當以圖3所示的單自由度系統在簡諧激勵力作用下的穩態響應分析定義傳遞位移和擾動位移的比值時，傳遞率TX為：

(1)

圖3 單自由度隔振系統傳遞率的頻率特性

圖4 機箱PCB二自由度的隔振系統

以圖2、圖4所述機箱內印制電路板為例，對振動環境下的機箱PCB加固設計，應就系統固有頻率設計進行規劃，在機箱固有頻率的分析階段，按照激勵的傳遞通道考慮采用倍頻程法對機箱、PCB的固有頻率隔離，即機箱與PCB的固有頻率應以大于2∶1的比值進行設計。作為質量1的機箱具有100 Hz的固有頻率，質量2的PCB應具有大于200 Hz的固有頻率。合理設計機箱蓋板、底板、側板和前后面板的截面尺寸，優化慣性矩，控制單位長度質量，對剛度薄弱的部分增加壁厚，調整橫截面積，提高慣性矩，采用加強肋提升機箱的剛度。同理，PCB組件可通過小型化控制鎖緊螺釘的間隔，增加鎖緊螺釘個數，在PCB主板設置加強筋，采用剛性灌封材料環氧樹脂進行封裝都可以提升和控制PCB組件的基礎頻率。

采用計算機輔助工程(CAE)的有限元動力學模態分析就振動環境下結構方案開展固有頻率設計和驗證是很有必要的。某艦載電子設備在機箱設計階段的動力學模態仿真前6階諧振頻率特性(見表2)，部分振型如圖5所示。

表2 機箱前6階諧振頻率特性

圖5 機箱第一第二第六模態振型

經過分析可知，機箱的一二六階諧振位置均發生在蓋板，其振型分別為上下彎曲的半正弦波、全正弦波、有2組零位移的波節點的正弦波振動。機箱的一階諧振頻率取決于組件蓋板的剛度。在控制機箱質量的前提下，對蓋板非外觀面背面采用局部添加強筋的優化方案如圖6，優化后機箱前6階諧振頻率特性和部分振型如表3和圖7。

圖6 機箱蓋板優化方案

表3 蓋板加固優化后機箱前6階諧振頻率特性

在動力學環境下，低階固有頻率因模態有效質量較高，對系統的動力學性能影響最大，高階諧振頻率因模態有效質量小，激發后產生的諧振對系統的損傷影響也小。由圖7可知，蓋板優化后，機箱的基礎諧振頻率提升了約1倍有余，其余5階也有較大幅度的提升，機箱整體剛度明顯改善。同理對機箱前后進出風板采取類似加固方法，系統整體剛度仍會有較大的提升空間。

圖7 機箱第一第三第六模態振型

機箱常見振型主要以彎曲、扭轉和上述兩振型的耦合為主，振型耦合后諧振頻率會明顯低于振動諧振頻率和扭轉固有頻率，機箱會出現較大的位移和應力，導致材料壽命縮短。故機箱設計時應消除耦合，在振動沖擊量級較高的環境下，對機箱盡可能全約束；避免使用簡單的滑軌限位結構。內部器件選型應高度尺寸相近，避開高重心元件，機箱安裝架高度應高于機箱重心，機箱高度與寬度的取值不超過0.5。

3.4 環境適應性下的熱設計及EMC耦合設計

戶外電子設備要能夠耐受自然環境溫度和氣候變化，并具備一定的熱設計裕量。熱設計的目的是通過采用恰當的方法控制設備內部器件的溫度，使其在工作環境溫度下不超過穩定運行的最高溫度，保證設備長期運行的安全性和可靠性。對IGBT、SRC和MOSFET可控硅元件，通過器件選型，確定降額因子，使器件芯片結溫工作在允許的使用范圍，承受的熱應力低于其額定值，達到延緩參數退化的目的。對變壓器、電抗器類應保證其工作時溫升不超過對應的絕緣和阻燃材料的設計要求。

在項目立項階段，結構設計即應參與到產品熱設計的概念設計環節，確定冷卻方式為強迫風冷或自然冷卻。冷卻方式不同，結構方案的布局會有很大的差異。當系統設計為風冷時，規劃內部器件布局、風道設計，應優先保證發熱量較低的器件和敏感功率元件置于風道進風側，非敏感負載(變壓器)放在風道的出風口側?；谠O備理論滿載功率和效率，確定熱損耗值W，評估設備進出口溫升ΔT，對應風冷系統的風機PQ特性曲線中級風量參數Q應滿足；

Qactual=W/ρCpΔT

(2)

Qfan=(1.5～3)Qactual

(3)

風冷系統的風阻特性導致風機產生的靜壓損失ΔP可以通過下式估算:

(4)

ω0=Qactual/Aoutlet

(5)

式中:ρ為對應環境溫度下的空氣密度;CP為對應環溫下的空氣定壓比熱容;ζ為風道阻力系數;Qactual為風機實際出風量；Aactual為風機出風口橫截面積;ω0為流經風道的風速。

其中,風道的各部分阻力系數值詳見文獻[3]。依據風機實際風量在預選風機的PQ曲線查到的靜壓必須大于式(8)估算的ΔP，否則風機重新選型。就系統設計溫升，對戶外設備可避免太陽直射或其他熱源的輻射時，控制在10～15 ℃，當無法避免太陽直射時，系統設計溫升應控制在10 ℃以下。

當戶外設備選擇自然冷卻式時，大多在于設備同時有明確的EMC耦合要求而非器件熱流密度較小。出于屏蔽機理,以密閉金屬殼體為屏蔽結構，采用功率元件表面貼附金屬結構件表面傳導散熱，同時并聯增加功率元件組數，降低器件熱流密度；結構件采取黑色陽極氧化和磨砂工藝，增強熱輻射散熱能力。因這一方案傳熱路徑熱阻較高，僅適用于屏蔽內部電流密度較小的情形。當設備熱流密度、屏蔽效能、屏蔽頻率要求都比較高時，應選擇穿孔金屬板或者截止波導式的空氣自然對流或強迫風冷屏蔽方案。但前提是應對其屏蔽效能進行選型評估。穿孔金屬板的屏蔽效能為[4]：

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

(6)

式中:A為孔的吸收損耗;R為孔的反射損耗;B為多次反射修正因子;K1為孔洞數目修正;K2為低頻穿透修正;K3為孔間相互耦合修正。

截止波導的屏蔽效能為[4]:

ESΣ=ES1-20lgN

(7)

式中:ESΣ為截止波導通風板的總屏蔽效能;ES1為單根截止波導的屏蔽效能;N為截止波導的總數。

確定對應穿孔金屬板或截止波導的孔徑參數和開孔率后，依據風冷系統風機的選型方法,計算風道總體阻力系數，確定風機型號。在項目設計階段,對熱設計有耦合要求和存在EMC的情況應開展理論計算、誤差分析、計算流體動力學(CFD)和EMC耦合仿真模擬的前期論證,并結合測試階段的設計驗證測試和設備驗證多個環節進行分析驗證。

4 結束語

電子設備基于應用環境的適用性設計涉及學科和業務領域比較多，復雜度較高，但作為電子設備的重要性能指標，在項目規劃中必須予以保證和重視。在項目初期就環境適用性開展總體設計分析，結構與電氣應就業務邊界的交叉領域、盲區予以識別，采取并行設計和統籌設計結合的方法，依據項目合同研制任務書對產品各項功能指標進行分解、細化；采用先進的設計技術和工藝，并就項目技術成熟度進行論證，確保產品環境適應性指標的方案設計文件可靠，研制項目順利實施和交付。此外，對前期同類產品的定期檢查和維修性、可靠性數據的收集、歸納整理也有助于提高后期新項目產品的環境適應性設計的可行性。