电子设备结构设计原理

绪论

0．1 电子设备结构设计的内容

20世纪中叶以来，无线电电子技术得到迅速发展，电子设备的结构设计开始引起世界各工业国的关注。随着电子技术使用范围的推广，设备的功能、体积、重量、运转可靠性以及对各种环境的适应性等诸多问题被纳入结构设计的范畴，使电子设备结构设计逐渐形成一门多学科的综合技术。20世纪中后期，伴随着固体电路、集成电路；大规模集成电路的相继出现，电子设备开始向小型、超小型、微型组装方向发展。结构设计中一些传统的设计方法逐步被机电结合、光电结合等新技术所取代。尤其是超大规模集成电路及其衍生的各种功能模块的出现，使许多曾被视为不可逾越的纯机械技术和工艺失去意义，同时也给电子设备的结构设计注入了新的内容。在电子信息产业和计算机技术迅猛发展的时代，电子技术正在向人类活动的各个领域渗透，电子设备已成为一项复杂的系统工程。仅以电路性能作为评价其技术指标的观念将受到挑战，而现有的结构设计方法也面临新的变革。

目前，电子设备的结构设计大致包括以下内容：

1)整机组装结构设计

整机组装结构设计也称总体设计。根据产品的技术条件和使用的环境条件，对整机的组装进行系统构思，并对各分系统和功能性单元提出设计要求和规划。其内容包括：

(1)结构单元。包括机柜、机箱(或插入单元)壳体的结构形式、外观造型、装配和安装方式、人工和自动操作方式以及其他附件。

(2)传动和执行装置。讯号在传递或控制过程中，某些参数(声、光、电或机械)的调节和控制所必需的各种传动装置、组件和执行元件。

(3)环境防护。包括元件、组件及整机的温度控制；防腐、防潮、防霉；振动与冲击隔离、屏蔽与接地、’接插与互连等。

(4)总体布局。对上述各项规划进行合理地结构布局，以确定相互之间的连接形式和结构尺寸等。

2)热设计

电子设备的热设计，是指对电子元件、组件以及整机的温升控制。尤其是对高密度组装的设备，更需注意其热耗的排除。温升控制的方法包括：自然冷却、强迫风冷、强迫液冷、蒸发冷却、温差电致冷、热管传热等各种形式：

3)结构的静力计算与动态参数设计

对于运载工具中使用或处于运输过程中的设备，应具有足够的强度和剐度；当结构自身不能有效地克服因机械力引起的材料疲劳、结构谐振等对电性能的影响，则要采取隔振与缓冲措施，以避免或减弱上述因素造成的性能下降。

4)电磁兼容性结构设计

电子设备中的信号处理和传输系统的自动化；要求各系统有可靠的抗干扰能力。这就需要进行诸如电磁屏蔽、接地等电磁兼容性设计, 以提高设备对电磁环境的适应性。其措施包括：噪声源的抑制、消除噪声的耦合通道和抑制接收系统的噪声等。

5)传动和执行装置设计

电子设备在完成讯号的产生、放大、变换、发送、接收、显示和控制的过程中，需要对各种参数(声、光、电或机械)进行调节和控制。因此要有相应的传动装置或执行元件来完成这项功能。这里除了常规的机械传动装置设计之外，主要是与声、光、电性能密切相关的转动惯量、传动精度、刚度和摩擦等参数的设计。

6)防腐蚀设计

恶劣的气候条件会引起电子设备中金属和非金属材料发生腐蚀、老化、霉烂、性能显著下降等各种损坏。应根据设备所处环境条件的性质、影响因素的种类、作用强度的大小来确定相应的防护措施或防护结构，选择耐腐蚀材料。并研究新的抗腐蚀方法。

7)连接设计

电子设备中存在着大量的固定、半固定以及活动的电气接点。这些接点的接触可靠性对整机或系统的可靠性有很大的影响。必须正确地设计、选择连接工艺和方法，如钎焊．、压接、熔接等。同时，还应注意对各种接插件、开关件等活动连接件的选用。

8)人机工程学在结构设计中的应用

电子设备既要满足电性能指标的要求，又要使设备的操作者感到方便、灵活、安全，外形美观大方。这样就要求用人机工程学的基本原理来考虑人与设备的相互关系，设计出符合人的生理、心理特点的结构与外形，更好地发挥人和机器的效能。

9)可靠性试验

可靠性应是衡量电子产品质量的极其重要的指标，对于特殊用途的设备，必须根据技术要求对设备或者模拟设备进行可靠性试验或加速寿命试验，以确认设计的正确性及其可靠性指标。

综上所述，电子设备的结构设计包含着相当广泛的技术内容。它已经成为一门边缘学科，是多门基础学科的综合应用。其范围涉及力学、机械学、材料学、热学、电学、化学、光学、声学、工程心理学、美学、环境科学等。本教材并不企图成为上述各门学科的综述，而是以结构设计中最受关注的环境防护为主题，阐述电子设备结构设计的原理。至于其中所涉及的系统、元件、试验、数据处理等诸多问题，可参阅专门的论述。

0．2 电子设备的工作环境

环境的种类繁多，不同的研究对象对环境的分类各不相同，电子设备所处的环境，大体上可分为自然环境、工业环境和特殊使用环境。除自然环境之外，工业环境和特殊使用环境一般是人为制造和改变的，故这类环境有时也称为诱发环境。表0．1中的环境分类包含了电子设备可能遭遇的各种基本环境。

环境因素造成的设备故障是严重的。国外曾对机载电子设备进行故障剖析，结果发现，50％以上的故障是由环境因素所致。而温度、振动、湿度三项环境造成的故障率则高达44％。美国军方总结了二次世界大战的教训后，制订了军用标准“军用环境气候极值”。其前言中第一句话：“在第二次世界大战期间，由于没有从战斗和支援设备工作所处的及所承受的全球气候极值出发对设备进行充分的设计和试验，以致这些设备失效。有鉴于这种情况，特制订MIL-STD-210。”这段话明确地指出了气候环境可以造成设备失效，以及针对环境进行设计和试验的必要性。

能出现不利的变化，或受环境条件的影响功能不能正常发挥，一旦外界因素消失，功能仍能恢复；另一类是永久性损坏，如机械损坏等。表0．2列出了各种环境因素引起

的主要影响。

主要影响因素，而且还应重视不同环境因素的相互作用。例如，温度的影响，有持续性的高、低温作用，有瞬态的作用(热冲击)及周期性作用等；而在高温下发生冲击振动时，两种环境因素都将强化对方的影响。这些都要进行具体的分析。在对客观因素作出估计时，应考虑各个作用因素的强度、作用的时间、重复的次数等等。这样，才能正确地采用防护措施，保证设备在受到多种环境因素的长期综合作用下安全、可靠地工作。

0．3 提高电子设备工作可靠性的方法

对电子产品的质量评价，除所应达到的技术指标之外，还应包括以下内容：

1)设备工作的有效性

对于可维修的产品，在规定的时间内，要求无故障工作时间长；而当出现故障时，应能迅速排除，恢复正常。即工作有效性高。

2)设备工作的可靠性

(1)设计和制造过程中，对可靠性影响因素的控制。如元器件的正确选用、电路的形式、机械结构的合理性以及工艺的先进性等。

(2)操作和管理人员的技术水平、操作的熟练程度以及维护的手段。

(3)某些操作过程的容错性。

(4)环境防护水平。如避免或减弱温度、湿度、气压、振动冲击、电磁干扰对设备影响的程度以及贮存和运输的条件下造成设备失效的程度等。

在许多场合，电子产品的可靠性问题往往是灾难性的。众所周知，诸如电视机之类的电子产品出了故障，仅仅给用户带来不方便，而在飞机、火车、舰船、宇宙飞行器等载人的运输或作战工具中，电子设备的故障常常意味着人的生命受到威胁，甚至决定战争的胜负。

资料记载，美国军方早在20世纪的朝鲜战争中就痛感电子产品的可靠性问题严重，战争尚未结束，就于1952年8月成立国防部电子设备可靠性顾问团(AGREE)，并于1957年7月提出了从技术和组织上提高电子产品可靠性的途径和方法。为了保证可靠性工作的组织落实，美国军方专门建立了一套可靠性管理程序，规定：一个电子产品企业如果没有可靠性机构，就不能接受国防部订货。此后又陆续制订了各种元器件的可靠性军用标准。这些措施为电子设备的可靠性奠定了基础。

在我国曾发生这样的事例：某舰用电子计算机在北方的试验室内调试时，各项技术指标都满足要求，但经几次南海航行试验，由于防护措施不力，经不住剧烈的冲击振动，又受到海上湿热环境的作用，以致机器失灵，无法达到预定的效果。

这些事例说明，结构设计人员必须采取切实有效的措施来提高设备工作的可靠性。

总体上说，提高电子设备可靠性的关键在于设计水平以及生产过程严格的质量控制。在产品的研制阶段，认证并改善设备可靠性的方法一般有下列几个方面：