电子设备机箱防护设计初探

作者 刘育民(中国电子科技集团公司第五十研究所，上海 200331)

　　摘要：本文对海洋环境下电子设备防护材料进行了初步探讨，从机箱、机柜材料、电连接器、外接电缆、导电密封材料、表面防护、EMC设计等方面进行了分析和探讨，在工程上有一定参考价值。

　　关键词：防护材料;海洋环境;电子设备;EMC

　　0 引言

　　我国具有广阔的海洋国土，海洋资源十分丰富。随着国家海洋战略的加速发展，大量海洋装备与海洋设施正在布置与实施，这些海洋装备与设施中，电子设备是其重要的组成部分。由于以前的电子设备主要在陆地和空中使用，耐海洋环境考虑较少。目前在海南三沙等地使用的电子设备就暴露出了某些不足，问题主要集中在海洋环境下的高温、高湿、高盐雾状况下的设备腐蚀问题，防潮、防盐、防霉以及电磁兼容等因素是设计这类电子设备必须优先考虑的关键因素。

　　1 材料选择

　　电子设备机箱、机柜原材料通常选择轻质、高强、容易加工的有色金属材料，铝合金材料是一种比较理想的材料，同时铝合金材料的导电性能良好，完全可以满足EMC设计对材料材质的要求，考虑到海洋环境的高温、高湿和高盐雾情况，铝合金材料本身的金属成分比例的不同，其腐蚀性能也会不同。表1列出了几种常用的铝合金材料性能比较。

　　结合本所某电子通信设备总体要求，我们对表1内材料按GJB150.10A-2009、GJB150.11A-2009及相关整机技术条件，进行了盐雾及霉菌试验，结果表明5A06铝合金材料的防腐及防霉菌性能最佳。

　　2 连接器选择

　　连接器通常安装在设备的前后面板上，与周围环境直接接触，受环境影响直接、明显，如果选用不当会直接影响整机的使用寿命。设计人员在选用时，除考虑连接器电性能外，还必须考虑其防腐性能及EMC性能。连接器大小选择，面板开孔大小等应与整机工作频率一起考虑，防止电磁泄漏。表2列出了几种常用连接器材料性能。

　　由表2知，00Cr17Ni14Mo2(316L)不锈钢防腐性能好。主要是00Cr17Ni14Mo2(316L)添加了钼(Mo)，在奥氏体不锈钢中，钼(Mo)提高耐三蚀性能显著，特别是和铬交互作用效果更明显。钼能够阻止奥氏体化的晶粒粗大，由于钼的存在，进一步提高抗酸腐蚀性，特别是由于钼的加入，防止了氯离子存在所产生的点腐蚀倾向，使得奥氏体不锈钢在耐蚀性能方面可以和镍基合金媲美。故其耐腐蚀性，尤其耐大气腐蚀性、耐高温性良好，可在苛酷的条件下使用。加工硬化性优(无磁性)，又由于低碳，它对抗晶界腐蚀性更优越。我们按GJB150.10A-2009、GJB150.11A-2009及整机技术条件，对表2所列进行了盐雾及霉菌试验，结果表明00Cr17Ni14Mo2(316L)合金材料的防腐及防霉菌性能最佳。在连接器的电磁泄漏性能方面，民品级的电连接器泄漏通常为60 dB，军品级的为90 dB，如果选用军品级电连接器，一般情况下均能满足整机指标要求。

　　3 密封材料选择

　　由于电子设备整机暴露在海洋高温、高湿、高盐雾恶劣环境下，为了防止内部电路的腐蚀，机箱、机柜的密封与屏蔽显得十分重要，所有的对外接口必须进行导电密封。导电的目的是为了EMC抗干扰考虑，密封的目的是隔离有害环境。表3给出几种常用导电橡胶密封材料性能对比。

　　我们按GJB150.08A-2009、GJB150.11A-2009及整机技术条件，选用了1285铝镀银导电橡胶和1350玻璃镀银导电橡胶进行了密封与防腐试验，结果表明1285铝镀银导电橡胶材料性能最佳。

　　4 外接电缆选择

　　电子设备的外接电缆主要有射频电缆、电源电缆、信号电缆等，这些电缆除电性能要求外，还要考虑其抗拉性、耐弯曲性以及防腐性能以及电磁泄漏性能等，其防腐性能主要取决于各种电缆的外防护套材料。表4列出了几种常用电缆护套材料性能。

　　从表4可以看出，在抗拉性能上，聚氨酯(TPU)、热塑性橡胶(TPR)较好。在耐磨性能上，聚氨酯、热塑性橡胶最好。在抗腐蚀性能上，热塑性橡胶 最好。耐高温性能是热塑性橡胶最好。

　　我们按GJB150.03A-2009、GJB150.11A-2009及 整机技术条件进行了相关试验，结果表明热塑性橡胶(TPR)综合性能最佳。在电磁泄漏方面，刚性电缆与半刚性电缆泄漏最小，柔性电缆中，外导体双层编织泄漏较小，单层的较大。具体选用哪种要综合考虑技术指标要求。电缆的泄漏通常在40 dB～100 dB之间

　　5 表面涂覆材料选择

　　采用铝合金机箱的电子设备，在完成机箱外层导电氧化或阳极化处理后，为进一步加强其防腐能力，通常还需进行表面涂覆处理，具体方法为喷油漆或喷塑处理。表5列出了几种常用表面涂覆材料性能。

　　从表5能初步看出，氟碳涂料综合性能优于其他涂料，我们按GJB150.11AA-2009、GJB150.16A-200及整机技术条件进行了试验，结果表明氟碳涂料具有比其他涂料更为优异的防护性能。

　　6 电磁兼容性能考虑

　　对一个完整密封的金属机壳而言，很容易获得120 dB以上的屏蔽效能，但是任何实际机壳都开有孔、洞等与外部连接窗口，于是造成屏蔽性能完整性的损失，从而达不到上述理论值。一个没有采取EMC设计的普通机箱或机柜通常仅有约50 dB左右的屏蔽效能，屏蔽性能的大幅下降主要是由机壳上的孔、洞泄漏造成。一个常规的机箱，上面总会有盖板、仪表窗口、开关、调节按钮、电源及信号接线、通风口等，这些在前后面板上开的孔、洞必须严格按照EMC设计来考虑。

　　当机箱构件是由螺钉、铆钉、点焊等直接连接时，连接界面是不连续的，而且在连接构件之间会产生弯曲或波纹效应，从而产生缝隙或间隙，当这些缝隙或间隙的尺寸逼近0.01λ时，将会导致信号的辐射或穿透，当工作频率远小于波导截止频率时，计算这些衰减的经验公式如下：

　　其中，L的单位dB, A为搭接构件的间隙深度，G为间隙最大横向尺寸。

　　在工程实践中有很多办法可以减小上述泄漏，若机箱构件是由螺钉或铆钉连接的，可以采取增加螺钉或铆钉密度的办法来减小机箱泄漏，因为密度的增加会导致G值的减小，从而减小泄漏。如果有条件盖板连接处最好用扼流槽，并用导电密封材料密封连接，或直接采取连续焊接方式连接。大部分机壳需要对流冷却或强迫风冷，由于机壳开孔将损坏机箱的屏蔽完整性，因此必须安装适当的电磁防护罩，它能提供相当大的射频衰减而不显著妨碍空气的流动。丝网罩和蜂窝罩是常用的二种通风罩，丝网罩比较廉价，但屏蔽效果有限，且破坏平滑空气流，从而降低冷却系统效率。蜂窝罩除价格较贵外，基本能解决上述缺点，所以目前使用较多。除机箱连接外，面板开孔的尺寸应满足截至波导的原理，如通风口的设计应满足如下经验公式：

　　其中，K=27，对于方孔;K=32，对于圆孔;A为盖板厚度，G为方孔宽度或圆孔直径，C为孔的中心距离，D为方孔边长或圆孔直径。当通风盖板用于对流冷却时，一般做法是在盖板上打许多孔，如果用(3)式计算出的泄漏不能满足总体要求时，可以采用蜂窝做通风口，其衰减满足下式。

　　N 为蜂窝数。

　　观察窗材料应选用夹层迭丝网窗或导电光学屏蔽玻璃等方法来防止射频泄露，其屏蔽效能主要通过反射电磁波来获得而不是通过吸收来获得。通风口采用蜂窝屏蔽通风罩，安装时均采用导电密封结构措施。电源及信号输入输出应加专用滤波器。

　　图1是一个具体产品的机箱示意图,如图所示,前面板上开有2个方孔, 用于安装射频接头和信号控制街头,两侧和顶盖上开有散热通风槽,后面板和底板无开口。前面板示意图如图2所示,当安装完射频接头和信号控制接头后,前面板基本无泄漏,接头与面板连接处用导电橡胶紧密连接。

　　通风槽示意图如图3所示,本机箱的主要泄露由此产生,开始设计时主要考虑热设计,强调通风效果,槽的尺寸为8 mm×40 mm,由于本设备工作在X波段,因此该槽基本上是一个传输波导,泄露很大,整机无法通过电磁兼容要求。

　　面对上述问题,我们通过理论估算和实际试验,由于经验公式只有简单的方、圆孔计算,没有长槽经验计算公式,我们采用经验公式(4)进行估算,计算结果与实测结果基本吻合。性能参数如表6所示。

　　考虑到实际使用情况的多样性及工程余量要求,另外整机设计效率比较高,发热并不大,因此我们又在通风槽里面安装了一层铜丝网来加强其屏蔽效果,铜丝网孔径为3 mm×3 mm。加网以后的屏蔽实测结果达到80 dB。

　　通过上述综合考虑与设计，研制的某产品整机及机箱不但通过了有关国军标的防护考核，同时也满足了GJB151A-97，GJB152A-97中电源线传导敏感度，电缆束注入传导敏感度，磁场辐射发射，电场辐射发射，电场辐射敏感度等相关电磁兼容性能的要求。产品交付用户使用多年，性能良好。

　　7 结论

　　本文所述的点滴经验源自长期从事的军工电子设备物资计划采购与管理工作，先后支撑了多型陆基、岛基、舰载电子设备的物资保障工作，仅以此供从事相关研究和设计工作的同行参考。

　　参考文献

　　[1]陈伟华.电磁兼容实用手册.机械工业出版社,1998.

　　[2]谢义水.舰载电子设备的三防设计.机械工程学报,2007,43(1).

　　[3]任胜利.电子设备的防护设计.2008年电子机械与微波结构工艺学术会议论文集.

　　[4]路龙龙,石伟.电子结构三防的技术设计.电子元器件应用,2008(4).

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第2期第74页，欢迎您写论文时引用，并注明出处