《電子設(shè)備可靠性工程》課件第7章

第7章

電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)7.1可靠性熱設(shè)計(jì)7.2電磁防護(hù)設(shè)計(jì)7.3機(jī)械防振設(shè)計(jì) 7.1可靠性熱設(shè)計(jì)7.1.1熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

熱設(shè)計(jì)的基本理論依據(jù)是傳熱學(xué)。掌握了不同傳熱過(guò)程的機(jī)理、理論和計(jì)算方法，就能有效地解決電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的各種實(shí)際問(wèn)題。

1.導(dǎo)熱

傅里葉定律是導(dǎo)熱的基本定律。其一維導(dǎo)熱計(jì)算公式為（7-1）

式中：Q——熱量，W;

k——物體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

S——垂直于導(dǎo)熱方向上物體的截面積

；

t——攝氏溫度，℃；

x——導(dǎo)熱方向。

定義熱流密度為單位面積所通過(guò)的熱量，用符號(hào)q表示，即（7-2）

對(duì)一維單層平壁導(dǎo)熱，將式（7-1）在x方向結(jié)合邊界條件進(jìn)行積分，可得導(dǎo)熱量計(jì)算公式：（7-3）

式（7-3）在形式上與電學(xué)中的歐姆定律類(lèi)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(lái)計(jì)算導(dǎo)熱問(wèn)題，這就是電熱模擬。

導(dǎo)熱發(fā)生在相互接觸的兩個(gè)物體表面時(shí)，由于實(shí)際接觸面間的不平整等其它原因，將會(huì)在接觸界面產(chǎn)生一個(gè)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(diǎn)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(zhì)的種類(lèi)（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(dǎo)熱系數(shù)等。粗糙度及接觸壓力對(duì)接觸熱阻的影響見(jiàn)圖7-1。圖7-1接觸熱阻與粗糙度、接觸壓力的關(guān)系

為了提高導(dǎo)熱能力，應(yīng)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(dǎo)熱脂（導(dǎo)熱膏）或加一層延展性好、導(dǎo)熱系數(shù)高的材料薄片（如銅箔等）。

在電子設(shè)備中，有不少的導(dǎo)熱問(wèn)題是屬于二維或多維的，其控制微分方程比較復(fù)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(gè)功率晶體管和兩個(gè)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(gè)安裝點(diǎn)的溫度。圖7-2電源印制板

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

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

和

四個(gè)溫度。也可以進(jìn)一步利用傅里葉導(dǎo)熱定律求出元件的表面溫度，若該溫度低于允許值，設(shè)計(jì)師可靠的，否則需要重新設(shè)計(jì)。

2.對(duì)流換熱

對(duì)流換熱是流體與另一物體表面相接觸時(shí)，兩者之間的換熱過(guò)程，它是流體的對(duì)流與導(dǎo)熱聯(lián)合作用的結(jié)果。換熱強(qiáng)度取決于流體流動(dòng)的動(dòng)力（自然對(duì)流或強(qiáng)迫對(duì)流）、流體流動(dòng)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(zhì)等。對(duì)流換熱的計(jì)算采用牛頓冷卻公式：（7-8）表7-1各準(zhǔn)則數(shù)的物理意義

1）自然對(duì)流換熱

所謂自然對(duì)流是指參與換熱的流體的運(yùn)動(dòng)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(dòng)現(xiàn)象。其換熱準(zhǔn)則方程為（7-9）

表7-2式（7-9）中的C和a值

2）強(qiáng)迫對(duì)流換熱

強(qiáng)迫對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程隨換熱的場(chǎng)所及流動(dòng)狀態(tài)而異，如表7-3所列。其中縱向掠過(guò)平板的換熱準(zhǔn)則方程，也同樣適用于縱向掠過(guò)圓柱表面的換熱計(jì)算。表中腳標(biāo)f表示確定流體物理性質(zhì)參數(shù)的溫度（定性溫度）取流體的平均溫度，腳標(biāo)w表示取壁面溫度，l是管長(zhǎng)，d為管道直徑或當(dāng)量直徑。表7-3強(qiáng)迫對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程

例7-1

某調(diào)制管的結(jié)構(gòu)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(shè)由輻射散走的熱量為3.68W，試計(jì)算強(qiáng)迫風(fēng)冷的空氣流速。

解

管子散熱面積為（m2）圖7-3調(diào)制管結(jié)構(gòu)尺寸（W/(m2·℃)）由

計(jì)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(guò)程稱(chēng)為輻射。如果落在物體上的所有輻射能量全部被吸收而沒(méi)有反射和穿透，則這樣的物體稱(chēng)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(zhǎng)分布的規(guī)律。將普朗克定律對(duì)所有波長(zhǎng)范圍進(jìn)行積分，可得到工程計(jì)算中十分重要的四次方定律，即(7-10)T——黑體的熱力學(xué)溫度，K。

(7-11)圖7-4兩表面間的輻射單元圖7-5三個(gè)表面間的輻射網(wǎng)絡(luò)

將上述各熱阻圖畫(huà)成網(wǎng)絡(luò)圖，如圖7-6所示。按直流電路的規(guī)則計(jì)算有效輻射

和

：結(jié)點(diǎn)

：結(jié)點(diǎn)

：（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(wǎng)絡(luò)圖

4.傳熱

前面簡(jiǎn)要介紹了熱量傳遞的三種基本形式：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。實(shí)際上，電子設(shè)備中的傳熱過(guò)程中總是有幾種傳熱形式同時(shí)存在。圖7-7（a）是對(duì)流—導(dǎo)熱—對(duì)流組成的串聯(lián)傳熱過(guò)程；圖7-7（b）是對(duì)流、輻射組成的并聯(lián)傳熱過(guò)程；圖7-7（c）是對(duì)流、輻射—導(dǎo)熱—對(duì)流、輻射的復(fù)合傳熱過(guò)程。其中Rd為對(duì)流熱阻、Rc為導(dǎo)熱熱阻、Rr為輻射熱阻。因此，電子設(shè)備中的傳熱過(guò)程可用類(lèi)似于電路中電阻網(wǎng)絡(luò)的熱阻網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算。圖7-7傳熱過(guò)程熱阻網(wǎng)絡(luò)圖7.1.2冷卻方法的選擇

1.熱設(shè)計(jì)基本原則

電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的目的就是要根據(jù)電子設(shè)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(biāo)，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(shè)備。熱設(shè)計(jì)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(shè)備內(nèi)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(duì)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(yīng)性；冷卻系統(tǒng)要便與維護(hù)；冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2.冷卻方法的選擇

電子設(shè)備冷卻方法選擇的依據(jù)是熱設(shè)計(jì)參數(shù)，包括設(shè)備（元件）的總發(fā)熱量、設(shè)備（元件）的允許溫升、設(shè)備的工作場(chǎng)所環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)尺寸、其它特殊要求（如密封、氣壓等），圖7-8是根據(jù)設(shè)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(dāng)溫升為60℃時(shí)，自然散熱（對(duì)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(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，則傳熱能力可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。若采用碳氟有機(jī)液沸騰冷卻，則可提供相當(dāng)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(guò)

。而溫升則小于10℃。

應(yīng)該指出，熱流密度不能作為確定散熱方式的唯一標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樵O(shè)備本身的冷卻能力、內(nèi)部元件布置合理與否、有無(wú)熱敏元件等，均對(duì)冷卻效果有一定影響。因此，在確定冷卻方法時(shí)，一定要仔細(xì)進(jìn)行論證或進(jìn)行一些必要的模擬熱分析和試驗(yàn)，以便得出一個(gè)較經(jīng)濟(jì)可靠的冷卻方案。7.1.3電子設(shè)備的自然冷卻

1.自然冷卻的結(jié)構(gòu)因素

1）機(jī)殼的熱設(shè)計(jì)

設(shè)備的機(jī)殼是接受設(shè)備內(nèi)部熱量，并將其散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去的一個(gè)重要組成部分，它的熱設(shè)計(jì)在采用自然散熱和一些密閉式的電子設(shè)備中顯得格外重要。經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可得如下結(jié)論：

（1）機(jī)殼內(nèi)外表面涂漆（即提高黑度）、機(jī)殼開(kāi)通風(fēng)孔，均能降低內(nèi)部元器件的溫度。由于顏色對(duì)黑度不是主要的影響因素，因此外表面顏色可以按機(jī)箱造型色彩學(xué)的要求選擇。

（2）機(jī)殼內(nèi)表面和外表面涂漆的冷卻效果比表面光亮（黑度低）、且開(kāi)通風(fēng)孔的效果好。

（3）)機(jī)殼內(nèi)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(jī)殼內(nèi)表面和外表面均涂漆的基礎(chǔ)上，合理地改進(jìn)通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)對(duì)流，可以得到很好的冷卻效果。

2）通風(fēng)孔面積計(jì)算

在機(jī)殼上開(kāi)通風(fēng)孔的目的是為了充分利用氣流的對(duì)流換熱作用。通風(fēng)孔的形狀、大小應(yīng)該根據(jù)人機(jī)工程學(xué)及換熱原理進(jìn)行選擇。通風(fēng)孔的位置要對(duì)準(zhǔn)發(fā)熱元件，使冷卻空氣直接流過(guò)發(fā)熱元件，進(jìn)出孔要遠(yuǎn)離，切忌氣流短路而影響冷卻效果。通風(fēng)孔的面積與通風(fēng)孔散掉的熱量之間的關(guān)系可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：（7-14）

2.印刷板組裝件的自然冷卻設(shè)計(jì)

1）電子元器件的熱安裝技術(shù)

印刷板上的元器件，主要依靠導(dǎo)熱提供一條從元件至印制板經(jīng)導(dǎo)軌到機(jī)殼側(cè)壁的冷卻傳熱途徑，再由側(cè)壁傳至周?chē)h(huán)境或機(jī)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(dǎo)熱條或?qū)岚澹?，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(guò)引線傳給導(dǎo)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(yīng)的金屬化涂覆孔，用來(lái)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(dǎo)熱條（板）間空氣間隙所產(chǎn)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(dòng)特性，元件的長(zhǎng)邊應(yīng)沿流動(dòng)的方向放置，以減小流動(dòng)阻力。同一印制板上的元器件，應(yīng)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(yīng)使整塊印刷板的阻力和溫升均勻化。當(dāng)有幾塊印刷板平行排列時(shí)，印制板的間距不宜相差太懸殊。圖7-9導(dǎo)熱條與導(dǎo)熱板結(jié)構(gòu)

2）減小元器件熱應(yīng)變的安裝技術(shù)

實(shí)用中的電子設(shè)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(diǎn)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(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致焊點(diǎn)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(yīng)變有關(guān)的其他問(wèn)題，因此，元件的安裝要考慮消除熱應(yīng)變的結(jié)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(shí)，應(yīng)提供最小的熱應(yīng)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(yīng)變使焊點(diǎn)脫裂，應(yīng)有較大的應(yīng)變量，也可采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。圖7-10消除熱應(yīng)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(yīng)變量，所以安裝時(shí)要特別仔細(xì)。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(dǎo)熱元件，厚度應(yīng)滿(mǎn)足散熱要求。為了減小傳導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)熱條（板）的熱計(jì)算

當(dāng)導(dǎo)熱條（板）上的電子元件功耗基本相同，并均勻分布時(shí)，可按均布熱負(fù)荷計(jì)算每個(gè)元件的溫升。如圖7-12所示的印刷板組裝件，以導(dǎo)熱條的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，其上任意一點(diǎn)的溫升，可由下式計(jì)算：（7-15）圖7-12均勻分布熱負(fù)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(gè)集成塊的功耗為100mW，熱量由銅導(dǎo)熱條傳至印制板邊緣，導(dǎo)熱條厚度為0.07mm，寬為5mm，每個(gè)導(dǎo)熱條上有六個(gè)集成塊，試計(jì)算從印制板中心至邊緣的溫升。

解

按均勻分布熱負(fù)荷處理。因結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，故只需計(jì)算系統(tǒng)的一半即可。根據(jù)題意，有

利用式（7-15），得

4）印制板導(dǎo)軌的熱計(jì)算

插入式印制板要有導(dǎo)向?qū)к墸蛊鋵?duì)準(zhǔn)底座上的插座。導(dǎo)軌是印制板傳熱過(guò)程中的一個(gè)主要熱阻。圖7-13是一些典型的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，他們的單位長(zhǎng)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(dǎo)軌，通過(guò)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(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式

例7-4

某印制板采用U型導(dǎo)軌，其單位長(zhǎng)度熱阻為150℃·mm/W，見(jiàn)圖7-13（c），導(dǎo)軌的接觸導(dǎo)向長(zhǎng)度為130mm，印制板上的功耗為10W，且均勻分布，試計(jì)算通過(guò)導(dǎo)軌的溫升。

解

因熱負(fù)荷均勻分布，每側(cè)導(dǎo)軌傳導(dǎo)的熱量為總功耗的一半，即Q=10W/2=5W，而導(dǎo)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(jì)算

晶體管結(jié)層上的熱量可通過(guò)不同的途徑傳至周?chē)橘|(zhì)。每一途徑都存在著熱阻，其過(guò)程可用電模擬的方式進(jìn)行分析。(7-16)若則因此，圖7-15（a）可簡(jiǎn)化成圖7-15（b）的形式，式（7-16）可改寫(xiě)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(jì)算的基本依據(jù)是結(jié)溫不得超過(guò)最高允許值，但為保證電路工作的可靠性和穩(wěn)定性，計(jì)算時(shí)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(dāng)tj、Rtj確定后，即可根據(jù)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(dǎo)熱阻Rtc，即（7-21）

散熱器放熱熱阻Rtf取決于散熱器的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、所用的材料、周?chē)沫h(huán)境溫度、散熱器放置的位置等，比較精確的計(jì)算可以通過(guò)計(jì)算機(jī)用熱阻網(wǎng)絡(luò)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(duì)型材和叉指型散熱器已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7423.1-87~GB7423.3-87）?？筛鶕?jù)晶體管工作狀態(tài)和工作環(huán)境，利用標(biāo)準(zhǔn)中的熱阻曲線，進(jìn)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(cè)放；圖中為散熱器最高溫度點(diǎn)的溫度與周?chē)h(huán)境平均溫度之差。圖7-16SRZ104熱阻曲線

叉指型散熱器手冊(cè)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(wú)論豎放或側(cè)放，均能滿(mǎn)足要求。7.1.4電子設(shè)備的強(qiáng)迫風(fēng)冷

強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于合理控制和分配氣流，使其按照預(yù)定的路徑同行。元件排列時(shí)，應(yīng)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(nèi)排列時(shí)，應(yīng)力求對(duì)氣流的阻力最??；整機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)、出風(fēng)口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，以避免氣流短路。

整機(jī)的通風(fēng)形式可分為抽風(fēng)、鼓風(fēng)和抽風(fēng)與鼓風(fēng)串聯(lián)等。整機(jī)通風(fēng)的風(fēng)量由熱平衡方程計(jì)算：（7-24）

在一些軍用加固型計(jì)算機(jī)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(guò)機(jī)箱的冷板結(jié)構(gòu)以及由印制板背靠背形成的空芯風(fēng)冷通道進(jìn)行冷卻，如圖7-17所示。印制板采用導(dǎo)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(jì)算：（7-25）圖7-17空芯印制板結(jié)構(gòu)

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

當(dāng)Re數(shù)在400至1500之間的層流范圍內(nèi)，扁平肋片式冷板和熱交換器的考爾本數(shù)可按下式計(jì)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(duì)于有專(zhuān)門(mén)通風(fēng)管道的強(qiáng)迫通風(fēng)系統(tǒng)，正確地設(shè)計(jì)和安裝通風(fēng)管道對(duì)散熱效果有較大影響。在進(jìn)行通風(fēng)管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意下面幾個(gè)問(wèn)題：

（1）盡量縮短通風(fēng)管道，以降低風(fēng)道的阻力損失。

（2）盡可能采用值的錐形風(fēng)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(fēng)道中不產(chǎn)生回流（負(fù)壓），可達(dá)到等量送風(fēng)的要求。

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

（4）進(jìn)風(fēng)口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是：一方面盡量使其地氣流的阻力最?。涣硪环矫嬉_(dá)到濾塵的作用。

強(qiáng)迫冷卻系統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)可根據(jù)需要選擇軸流式風(fēng)機(jī)和離心式風(fēng)機(jī)。一般要求風(fēng)量大、風(fēng)壓低的設(shè)備可采用軸流式風(fēng)機(jī)，風(fēng)量小、風(fēng)壓大的設(shè)備可采用離心式風(fēng)機(jī)。若一個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不夠，可采用兩個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)，此時(shí)，其風(fēng)壓是每個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，而風(fēng)量為各風(fēng)機(jī)風(fēng)量之和。如圖7-18（a）所示，圖中H1是單個(gè)風(fēng)機(jī)的工作靜壓，H2是兩個(gè)并聯(lián)風(fēng)機(jī)的工作靜壓，

則分別為單個(gè)及并聯(lián)風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量。若風(fēng)壓不夠，則可串聯(lián)使用，這時(shí)，風(fēng)量基本上等于每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，風(fēng)壓相當(dāng)于各風(fēng)機(jī)壓力之和，如圖7-18（b）所示，圖中H1，H2分別是單個(gè)風(fēng)機(jī)及串聯(lián)風(fēng)機(jī)的工作靜壓，

則分別是單個(gè)及串聯(lián)風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量。圖7-18通風(fēng)機(jī)的串、并聯(lián)

設(shè)計(jì)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮的結(jié)構(gòu)因素有：

（1）抽風(fēng)的冷卻效果比吹風(fēng)形式好，因此在機(jī)箱風(fēng)阻相同的情況下，盡可能采用抽風(fēng)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(yīng)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(shè)備中發(fā)熱區(qū)的中心線，應(yīng)與入風(fēng)口的中心線相一致或略低于入風(fēng)口的中心線，以提高冷卻效率。分層結(jié)構(gòu)的大型電子設(shè)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(jī)柜在強(qiáng)迫通風(fēng)時(shí)，機(jī)柜縫隙的漏風(fēng)將直接影響效果，圖7-19（a）是密封不漏風(fēng)的情況，風(fēng)機(jī)位置對(duì)風(fēng)冷效果沒(méi)有影響，沿高度方向任意一個(gè)發(fā)熱區(qū)斷面，風(fēng)量基本是相同的。若機(jī)柜四周存在縫隙，當(dāng)風(fēng)機(jī)安裝在出口處抽風(fēng)時(shí)，外界空氣從縫隙進(jìn)入機(jī)柜，風(fēng)量從入口至出口逐漸增加，如圖7-19（b）所示。當(dāng)風(fēng)機(jī)裝在入口處鼓風(fēng)時(shí)，機(jī)柜內(nèi)靜壓較高，氣流將從縫隙漏出，風(fēng)量沿機(jī)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(fēng)形式，機(jī)柜內(nèi)部氣壓分成正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)兩部分，既有氣流從縫隙流入，也有從縫隙流出，沿機(jī)柜高度方向風(fēng)量分布如圖7-19（d）所示。圖7-19機(jī)柜漏風(fēng)的影響7.1.5其它冷卻方法

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

7.2電磁防護(hù)設(shè)計(jì)

任何電子設(shè)備工作時(shí)，都將對(duì)其周?chē)h(huán)境產(chǎn)生一定的電磁輻射，自然界本身也產(chǎn)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(gè)方面：一是指電子系統(tǒng)與周?chē)渌娮酉到y(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(shè)計(jì)要求正常工作的能力。為了提高電子設(shè)備的電磁兼容性能，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：要求設(shè)備既能抑制其它設(shè)備的干擾，又能抑制自然界電磁作用的干擾，同時(shí)還要求減少設(shè)備本身對(duì)其它設(shè)備的干擾。

構(gòu)成電磁干擾必須具備三個(gè)基本條件：存在干擾源；有相應(yīng)的傳輸介質(zhì)（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(gè)例子。對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計(jì)（兼容性設(shè)計(jì)），需要明確干擾源的性質(zhì)、干擾源與被干擾源之間的耦合形式和防護(hù)設(shè)計(jì)的具體指標(biāo)等。圖7-20耦合途徑7.2.1耦合方式

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

（1）傳導(dǎo)耦合

簡(jiǎn)稱(chēng)來(lái)自“路”的干擾，包括電路性傳導(dǎo)耦合、電容性傳導(dǎo)耦合及電感性傳導(dǎo)耦合。

（2）輻射耦合

簡(jiǎn)稱(chēng)來(lái)自“場(chǎng)”的干擾，包括近場(chǎng)感應(yīng)耦合及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射耦合。

1.電路性傳導(dǎo)耦合

電路性傳導(dǎo)耦合也稱(chēng)為共阻抗耦合，當(dāng)兩個(gè)電路回路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路回路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會(huì)影響到另一個(gè)電路回路。

最簡(jiǎn)單的電路性傳導(dǎo)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(dāng)回路1有電壓V1作用時(shí)，該電壓經(jīng)Z1加到公共阻抗Z12上，如果回路2開(kāi)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(jīng)公共地阻抗Z的耦合。地電流I1被I2所調(diào)制，故一些干擾信號(hào)由電路2經(jīng)Z耦合到電路1.圖7-21傳導(dǎo)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(chēng)為電場(chǎng)耦合，是通過(guò)導(dǎo)線間的電容使某一電路對(duì)另一電路形成電力線交鏈，從而在信號(hào)電路中引入了干擾。圖7-23為電場(chǎng)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(guò)阻抗ZS接地，干擾源G對(duì)受感器S的電場(chǎng)感應(yīng)作用等效為分布電容CJ,從而形成了由VG，CJ和ZS構(gòu)成的回路，在感受器S上產(chǎn)生的干擾電壓VS為（7-31）圖7-23電場(chǎng)耦合（7-32）

這種干擾多存在于設(shè)備內(nèi)部平行導(dǎo)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(shí)，該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)電路的作用可視為電感耦合。圖7-24為磁場(chǎng)穿過(guò)一閉合回路的示意圖，“×”表示磁場(chǎng)垂直于紙面指向紙內(nèi)，Z1和Z2分別為回路中的阻抗。交變磁場(chǎng)在回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為（7-33）圖7-24磁場(chǎng)耦合

4.輻射性耦合

輻射性耦合指干擾源的電磁能量經(jīng)由遠(yuǎn)場(chǎng)注入，并在另一電路產(chǎn)生感應(yīng)電壓或感應(yīng)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(dǎo)路徑；也不同于電場(chǎng)耦合或磁場(chǎng)耦合，輻射性耦合的受擾電路并非處于干擾源的近場(chǎng)區(qū)域。事實(shí)上，實(shí)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(dǎo)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(gè)基本輻射單元的疊加（圖7-25)。因此分析對(duì)電偶極子和磁偶極子所產(chǎn)生的場(chǎng)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(dǎo)線輻射元疊加示意圖7.2.2屏蔽原理

１.電場(chǎng)屏蔽

電場(chǎng)屏蔽的實(shí)質(zhì)是減小兩個(gè)設(shè)備（或兩個(gè)元件、電路、組件）間電場(chǎng)感應(yīng)的影響，它包括靜電屏蔽和對(duì)高阻抗電場(chǎng)源的近區(qū)場(chǎng)（低頻時(shí)變電場(chǎng)）的屏蔽兩部分。

對(duì)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(chǎng)的屏蔽原理，采用電路理論加以解釋較為方便，因?yàn)楦蓴_源與感受器之間的電場(chǎng)感應(yīng)可用分布電容來(lái)進(jìn)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(duì)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(lái)的CJ被分成CJ1，CJ2和CJ3，由于CJ3很小，可忽略不計(jì)。

假設(shè)屏蔽體J對(duì)地阻抗為ZJ，則在J上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓VJ為

（7-34）感受器S上被感應(yīng)的電壓（7-35）

從上面兩式可以看出，要使VS比較小，則ZJ應(yīng)較小，而ZJ為屏蔽體的阻抗Zm和接地阻抗Zc之和。這一事實(shí)表明，屏蔽體必須選用導(dǎo)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(dǎo)致加屏蔽體后干擾變得更大。對(duì)這點(diǎn)應(yīng)特別引起注意

2.磁場(chǎng)屏蔽

低頻磁場(chǎng)屏蔽包括兩部分內(nèi)容：恒定磁場(chǎng)的屏蔽和對(duì)低阻抗磁場(chǎng)源的近區(qū)場(chǎng)（低頻時(shí)變磁場(chǎng)）的屏蔽。

因?yàn)樽匀唤绮淮嬖趩为?dú)的磁荷，磁力線一定是閉合的，因此磁場(chǎng)的屏蔽只能利用屏蔽體對(duì)磁力線（磁場(chǎng)）進(jìn)行分流，來(lái)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(dǎo)率，H/m；

L—磁路長(zhǎng)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(jì)算

屏蔽的有效性采用屏蔽效能（簡(jiǎn)稱(chēng)屏效）SE來(lái)進(jìn)行度量，定義為屏蔽前（電場(chǎng)強(qiáng)度E、磁場(chǎng)強(qiáng)度H）后（電場(chǎng)強(qiáng)度E′、磁場(chǎng)強(qiáng)度H′）空間某點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)之比，可用下式表示：電場(chǎng)（7-37）

對(duì)于電路來(lái)說(shuō)，屏效可用屏蔽前后電路某點(diǎn)上的功率、電流和電壓之比來(lái)定義，也可由外界耦合到某個(gè)關(guān)鍵器件上的干擾與器件所產(chǎn)生的噪聲之比來(lái)定義：（7-38）由于屏效的量值范圍很寬，為了便于表達(dá)，通常用分貝（dB）來(lái)計(jì)量，其關(guān)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(dǎo)率的屏蔽體對(duì)干擾磁場(chǎng)的分路作用。由磁路分析法可得到屏蔽效能的近似計(jì)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(chǎng)強(qiáng)度；

H1——屏蔽盒內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度；

μr=μs/μ0-相對(duì)磁導(dǎo)率；

μs-屏蔽材料的磁導(dǎo)率；

μ0-空氣的磁導(dǎo)率。圖7-29導(dǎo)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(chǎng)）2.電磁屏蔽的屏效

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

μr—屏蔽體材料相對(duì)于銅的磁導(dǎo)率（μ0=4π×10-7H/m）；

σr—屏蔽體材料相對(duì)于銅的電導(dǎo)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(dāng)場(chǎng)源特性不能明確時(shí)，可按式（7-43）進(jìn)行計(jì)算。

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

例7-6

一長(zhǎng)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(shí)的電磁屏蔽效能。

解

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

1.改善電接觸的結(jié)構(gòu)

一般密閉屏蔽盒和機(jī)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(wèn)題，使接觸電阻減至最小。其結(jié)構(gòu)措施有：

（1）在屏蔽盒的側(cè)壁鉚裝導(dǎo)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(shí)，螺釘數(shù)量越多，接觸改善的效果越好。

（4）機(jī)柜門(mén)的四周做有凹槽，并在其中填裝導(dǎo)電彈性襯墊。

2.雙層門(mén)蓋結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步提高屏效，機(jī)箱可采用雙層門(mén)，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(yīng)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(mén)蓋結(jié)構(gòu)。其中C1是A與外蓋G1間的分布電容，C2為外蓋G1和內(nèi)蓋G2之間的分布電容，C3為內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)

對(duì)低頻磁場(chǎng)的屏蔽作用是通過(guò)屏蔽盒的高導(dǎo)磁性能，即低磁阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮屏蔽盒上的接縫與孔洞的處理，以減小它們對(duì)屏蔽效能的影響。

1.合理布置接縫與磁場(chǎng)的相對(duì)方位

當(dāng)磁場(chǎng)方向垂直于接縫時(shí)，磁通流經(jīng)接縫的磁阻較大，若磁場(chǎng)平行于接縫，則接縫的磁阻不起作用。因此，接縫相對(duì)磁場(chǎng)的方位應(yīng)使磁通不流經(jīng)或大部分不流經(jīng)接縫為宜。圖7-33時(shí)為減小外界磁場(chǎng)對(duì)示波管產(chǎn)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(jīng)屏蔽罩時(shí)受到阻礙，磁力線偏移。正確放置時(shí)，如圖（b）所示，外磁場(chǎng)的磁通基本上不流經(jīng)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(jié)構(gòu)。對(duì)盒本身的接縫，可用導(dǎo)磁材料密焊。

3.正確布置通風(fēng)孔

通風(fēng)孔的布置原則是：除滿(mǎn)足熱設(shè)計(jì)的要求外，應(yīng)盡可能少地減小導(dǎo)磁截面積和不增加導(dǎo)磁回路的長(zhǎng)度，即盡量不增加屏蔽的磁阻。

圖7-34為矩形通風(fēng)孔。根據(jù)圖示的磁場(chǎng)方向，因圖（a）的孔位大大減小了導(dǎo)磁截面，所以不正確。應(yīng)按圖7-34（b）的方式排列。圖7-34矩形通風(fēng)孔布置圖7-35圓形通風(fēng)孔布置

4.雙層磁屏蔽

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

通過(guò)內(nèi)外層屏蔽盒的引線，應(yīng)在兩層之間加濾波電路；

內(nèi)外層屏蔽盒間只能采用一點(diǎn)連接（可采用扁銅條或短銅桿），使內(nèi)外層上的電路相互隔開(kāi)，不產(chǎn)生耦合。圖7-36雙層屏蔽7.2.6濾波設(shè)計(jì)

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(dǎo)干擾最為有效的手段。它包括信號(hào)線濾波器和電源線濾波器。信號(hào)線濾波器允許有用信號(hào)以較小的衰減通過(guò)，同時(shí)大大衰減雜波干擾信號(hào)。電源線濾波器又稱(chēng)為電網(wǎng)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(shè)備上去，卻大大衰減經(jīng)電源線傳入的EMI信號(hào)，保護(hù)設(shè)備免受其害。同時(shí)，它又能抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI信號(hào)，防止它進(jìn)入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境，危害其它設(shè)備。

常見(jiàn)的EMI濾波器可以定義為一個(gè)低通網(wǎng)絡(luò)，它由電感、電容或電阻等無(wú)源器件組合而成。也可根據(jù)實(shí)際使用所需，將其設(shè)計(jì)為帶通或高通濾波器。如為了抑制超短波電臺(tái)饋線的傳導(dǎo)干擾，又不影響正常工作頻率，可設(shè)計(jì)成帶通濾波器。一般可根據(jù)其電路形式分為L(zhǎng)型、T型、

型等基本電路形式。

EMI濾波器對(duì)干擾噪聲的抑制能力用插入損耗IL(InsertionLoss)來(lái)衡量。插入損耗定義為：沒(méi)有濾波器接入時(shí)，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1和接入濾波器后，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率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(gè)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(duì)包括雷電、浪涌、高功率微波武器等這類(lèi)瞬態(tài)電磁脈沖進(jìn)行抑制，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁脈沖干擾的電磁防護(hù)。

限幅濾波，是指帶外濾波，帶內(nèi)限幅的方法。對(duì)于電源線和信號(hào)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(hù)技術(shù)，還有一些新型的防護(hù)技術(shù)，主要包括波導(dǎo)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(duì)于天線等空間耦合途徑，最新技術(shù)研究可以采用頻率選擇表面（FSS,FrequencySelectiveSurface）和能量選擇表面（ESS,EnergySelectiveSurface）進(jìn)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(gè)具有開(kāi)關(guān)特性的抑制器件，使用時(shí)，與被保護(hù)電路并聯(lián)，如圖7-38。三者的工作原理具有共同點(diǎn)：當(dāng)正常電壓工作時(shí)，器件呈高阻態(tài)，處于“關(guān)”狀態(tài)，無(wú)電流通過(guò)或電流極小，不影響電路的正常工作；當(dāng)有瞬態(tài)浪涌電壓通過(guò)電路時(shí)，器件由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，處于“開(kāi)”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(hù)后續(xù)電路不受大電壓侵害，防止電路的降級(jí)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(gè)電極組成，見(jiàn)圖7-39；壓敏電阻，是被玻璃釉包裹的多個(gè)氧化鋅顆粒，形成許多微型PN結(jié)，可以說(shuō)，壓敏電阻是一種多種PN結(jié)串并聯(lián)的集合體，見(jiàn)圖7-40。而TVS管是一種特殊的二極管，是有半導(dǎo)體硅材料制造，見(jiàn)圖7-41；圖7-39氣體放電管的實(shí)物圖、典型結(jié)構(gòu)圖和電路符號(hào)圖圖7-40壓敏電阻的實(shí)物圖、典型結(jié)構(gòu)圖和電路符號(hào)圖圖7-41TVS瞬態(tài)電壓抑制器的實(shí)物圖、典型結(jié)構(gòu)圖和電路符號(hào)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(fù)電荷電量相等，宏觀上呈電中性，故稱(chēng)為等離子體，常被視為物質(zhì)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(hù)強(qiáng)電磁脈沖的角度來(lái)看，需要考慮等離子體的兩個(gè)特性，一是等離子體的振蕩性，另一個(gè)是等離子體對(duì)電磁波的衰減特性。

等離子體的振蕩性說(shuō)明等離子體存在一個(gè)等離子體頻率

，其表達(dá)式為（7-47）圖7-42波導(dǎo)等離子體限幅器

等離子體是通過(guò)外加電源和入射電磁波共同作用下將具有一定壓強(qiáng)的填充氣體，如氙氣，電離產(chǎn)生的。當(dāng)入射電磁波的能量足夠大，能夠快速反應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)濃度的等離子體，從而對(duì)入射的電磁波進(jìn)行限幅濾波，從而實(shí)現(xiàn)防護(hù)的目的。波導(dǎo)或者濾波器中的等離子體結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置，當(dāng)正常信號(hào)入射，此時(shí)處于關(guān)狀態(tài)，不影響正常信號(hào)的傳輸，當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖入射進(jìn)入系統(tǒng)，等離子體形成，處于開(kāi)狀態(tài)，反射或者吸收入射能量。7.2.7接地設(shè)計(jì)

所謂“地”，一般是指電路或系統(tǒng)的零電位參考點(diǎn)或直流電壓的零電位點(diǎn)。電子設(shè)備中任何電路的電流都需經(jīng)過(guò)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(diǎn)間形成了一定的電壓，而引起接地干擾；同時(shí)，恰當(dāng)?shù)慕拥亟o高頻干擾信號(hào)形成了低阻通路，抑制了高頻信號(hào)對(duì)其它電子設(shè)備的干擾。

為了抑制地線產(chǎn)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(shù)。

“四套法”是指設(shè)備內(nèi)按信號(hào)大小及噪聲源情況分別設(shè)置四套接地通道：

敏感信號(hào)地與小信號(hào)地（如低電平電路、前級(jí)放大器、混頻器等）；

不敏感信號(hào)地及大信號(hào)地（如高電平電路、末級(jí)放大器、大功率電路等）；

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

將“四套法”中的某兩類(lèi)地合并，便形成“三套法”接地系統(tǒng)。通常采用的是信號(hào)地、噪聲地和金屬地這三套地系統(tǒng)。若設(shè)備使用交流電源，則電源地線應(yīng)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(hào)地線接地形式

信號(hào)地線是指信號(hào)電路德地線或有信號(hào)電流流通的地線。交流電源的地線不能作為信號(hào)地線。信號(hào)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(diǎn)接地，大多使用在各電路的電平相差不大的場(chǎng)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(chǎn)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(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地。其優(yōu)點(diǎn)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?dāng)_。其缺點(diǎn)是地線較多致使結(jié)構(gòu)笨重、復(fù)雜，且隨著頻率增加，地線阻抗、地線間的電感及電容都會(huì)增大，因此這種接地方式不適用于高頻。圖7-44（c）是多點(diǎn)接地。該方式降低了地線阻抗，可用于高頻段。

7.3機(jī)械防振設(shè)計(jì)

7.3.1振動(dòng)與沖擊對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生的危害

振動(dòng)與沖擊對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生的危害有：

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

（2）長(zhǎng)期振動(dòng)或多次沖擊會(huì)使設(shè)備疲勞破壞。

（3）振動(dòng)引起彈性零件變形，使具有觸點(diǎn)的元件（電位器、波段開(kāi)關(guān)等）可能產(chǎn)生接觸不良或完全開(kāi)路的問(wèn)題。

（4）機(jī)械振動(dòng)會(huì)使防潮和密封措施受到破壞，使螺釘、螺母松開(kāi)甚至脫落，使指示儀表指針不斷抖動(dòng)，引起讀數(shù)不準(zhǔn)。

為了保證設(shè)備在機(jī)械環(huán)境中長(zhǎng)期可靠地工作，常用的防護(hù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

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

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

當(dāng)研究對(duì)象本身是有振源的機(jī)器，為了減小它對(duì)周?chē)鷥x器及建筑物的影響，將其與基礎(chǔ)或支承結(jié)構(gòu)隔離開(kāi)，稱(chēng)為積極隔振。例如將電動(dòng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行隔離，以減小傳到基礎(chǔ)或支承結(jié)構(gòu)上的激振力。對(duì)于積極隔振，如圖7-45（a）所示，假定設(shè)備上受到角頻率為ω、幅度為H的激振力，傳遞給支承結(jié)構(gòu)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(dāng)基礎(chǔ)或支承結(jié)構(gòu)本身是振源時(shí)，要將設(shè)備與振動(dòng)的基礎(chǔ)相隔離，這種隔振稱(chēng)為消極隔振。例如裝在飛機(jī)上的電氣儀表、操縱系統(tǒng)等等受到的激振就是由于機(jī)體支承結(jié)構(gòu)的振動(dòng)引起的。對(duì)于消極隔振，如圖7-45（b）所示，支承結(jié)構(gòu)以角頻率ω、幅值H正弦振動(dòng)，而設(shè)備則以角頻率為ω、幅值為B振動(dòng)，定義消極隔振系數(shù)η為設(shè)備振動(dòng)幅值B與支承結(jié)構(gòu)振幅H之比，即（7-49）圖7-45隔振原理經(jīng)推導(dǎo)，積極隔振和消極隔振的隔振系數(shù)的表達(dá)式均為（7-50）式中：D—系統(tǒng)的阻尼比，D=實(shí)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(duì)外界的隔離，消極隔振的隔振系數(shù)表示系統(tǒng)對(duì)外界振動(dòng)位移的隔離。

圖7-46為式（7-50）所確定的曲線，稱(chēng)為隔振系數(shù)曲線。它表示阻尼比D和頻率比γ變化時(shí)對(duì)應(yīng)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(jié)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(shí)用上一般將頻率比取在γ=2.5~5的范圍內(nèi)。

從上面的討論可以看出，隔振設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是選擇和設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臏p振器，進(jìn)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(mǎn)足

的條件。若把電子設(shè)備看成剛體，則在一般情況下帶有減振器的設(shè)備是具有六個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)（三個(gè)沿坐標(biāo)軸的平移振動(dòng)和三個(gè)繞坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)），因此就有六個(gè)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(dòng)的耦合情況主要取決于設(shè)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(yīng)使系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作，力求六個(gè)自由度之間的振動(dòng)不要耦合，并盡量使六個(gè)固有頻率能相互接近。為達(dá)到這些要求，減振器的配置應(yīng)滿(mǎn)足兩個(gè)條件：

（1）當(dāng)設(shè)備從其平衡位置沿坐標(biāo)軸平行移動(dòng)一距離時(shí)，各減振器對(duì)設(shè)備的作用力的合力通過(guò)設(shè)備的重心。

（2）當(dāng)設(shè)備繞某坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)一微小角度時(shí)，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(shí)電子設(shè)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(jiàn)