系统(整机)的防护设计

计算机是一套数据处理和存储系统，它的主要线 路由脉冲数字电路和工作于开关状态的电路组成。由 于它所处理的是脉冲信号，因而易受外界脉冲干扰的 影响，同时它也向外界产生干扰脉冲。由图1-1可以 看出，计算机系统的辐射频率处于很宽的频谱范围， 包括长波、中波、短波、米波、分米波等很宽的波段， 与电力设Fra Baidu bibliotek、广播、电视、通信、雷达等设备的基本 工作波段相同，因此它工作在一个相当复杂的工作环 境。这些干扰主要来自射频干扰、工频电源干扰、静 电干扰及雷电脉冲干扰等，它们都会使计算机出现运 行错误或故障，甚至破坏机内某些部件，因此它是一 套敏感设备；而计算机所产生的寄生辐射和传导所造 成的电磁泄漏又是外部敏感设备的噪声源，其中CPU、 内存、I/O接口、时钟、视频、字库、传输线、电源 线等部位都有较强的电磁辐射
1.2机箱电磁屏蔽 ⑴．主机机箱的屏 蔽设计
图1-3 主机机箱屏蔽示图
主机机箱由薄钢板折弯成型，外壳分别由底座、上盖和 面板三部分组成，如图1-3所示。 面板采用4mm厚的铝板加工，面板左侧是通风散热的进 风口，进风口做成16×21个Ф4mm的孔阵，每两孔的中心距 为6mm，面板内侧装有滤尘防电磁干扰屏蔽通风板和轴流风 扇；面板右侧是一屏蔽小门，门内的面板开口处是计算机光 驱、软驱等操作区，小门可以翻转，内侧装有一圈导电橡胶 圈，关紧时与面板保持严密接触。 箱体和上盖由1.2mm厚的钢板做成，它们之间的接触面 装有铍铜指簧，当上盖插入面板槽（槽内装有矩形屏蔽丝网 衬垫）并盖上底座和锁紧时，则达到密封屏蔽的目的 。
●为什么大多数的EMC问题是电缆造成的？
－这是因为电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线， 同时也是干扰传导的良好通道！
现代电子设备中的微处理器和数字电路的芯片产生的电 磁干扰，其频谱范围可达数吉赫兹以上。由于电缆总有一定 的长度，其辐射/接收的能力往往比机箱内部的各种引线和印 制板的走线更强。据报道，在甚高频（VHF）段的辐射发射 主要来自电缆发射，原因是常用的电缆在30～150MHz频率 要谐振。如图1-13所示，电缆可以等效为偶极子/接收天线， 电缆屏蔽层上流过的干扰电流能在电缆内导体感应出干扰电 压；同理，电缆内导体干扰电流的变化也会在电缆外部引起 辐射场。其辐射场强是干扰电流、电缆长度和距离的函数：
图1-4 主机机箱后视图 如图1-4所示，主机箱的后部左侧是通风散热的出风口， 它是由多个Ф4mm的小圆孔构成一个圆形排列的孔阵，对应 孔阵的内侧也装有滤尘防电磁干扰屏蔽通风板和轴流风扇。 后部右侧装有多个电缆连接插座和电源插座等。
可以看出，机箱的孔洞和缝隙是比较多的。前面板的右侧 小门与门洞已用导电橡胶圈整体密封，只有通风散热的进风口； 机箱后部除了有散热排风口之外，还有多个连接插座和电源插 座。所有的孔洞都采取了有效的密封措施：前后通风口都装有 滤尘防电磁干扰屏蔽通风板，这种屏蔽板是由三层铝制金属丝 屏夹在坚固定的拉制金属中间，然后装配在框架内构成(见图15)，其屏蔽效能（平面波）达80dB（1GHz）～60dB （10GHz）。各个连接插座与机箱的接触面之间都装有专用铍 铜软指簧，使插座与机箱保持紧密接触。这种冲制的小簧片的 屏蔽效能可达95dB（100KHz）～75dB（1GHz），因此主机 机箱的孔洞是满足屏蔽要求的。
图1-7时钟噪声与数据噪声频谱
⑵．液晶显示器的屏蔽设计 液晶显示器的外壳采用金属机箱结构，由合金铝板加工成 型。如图1-8所示，液晶显示器的外壳主要由面板和后盖构成。 面板与后盖连接的四周的接触面装有铍铜指簧；液晶屏的前面 安装了一块导电玻璃，这种导电玻璃是在两层玻璃之间夹一层 金属丝网经特殊工艺加工而成，由于金属丝网是采用250目的 不锈钢丝编织，每个网孔再经特殊工艺焊接，金属网表面再进 行镀银、镀镍复合材料，这样的屏蔽玻璃可以有80dB的屏蔽 效能（安装导电玻璃时必须将其四周暴露的丝网压紧，使它与 面板保持紧密接触）。此外，在机箱后面还有电源插座和接口 插座，它们与机箱的接触面之间都装有铍铜软指簧衬垫，从而 保证这些孔洞的屏蔽性能。
第一章 电磁兼容（EMC）设计
1.1系统（整机）的电磁兼容（EMC）分析及防护措施 该系统的主机采用工业档的计算机，机壳重新设计，面板宽为19″ 高4U的组架式插箱。显示器也重新设计，为高8U宽19″组架标准插箱， 屏幕为15.1″TFT液晶显示器。还有键盘和鼠标，在使用时安装在控制 台上。 由于工业档计算机不能满足国军标GJB151A-97的测试要求及其 他使用要求，因此对整个系统都进行重新结构设计。我们曾经对一套 没有进行电磁兼容加固的工控机系统和一台一体化便携式（天钻9002 型）计算机迸行过摸底测试，结果发现相差甚远，图1-1、图1-2是对 它们的RE102电场发射辐射测试曲线
面板通风口在800MHz时的屏蔽效能只有45dB，显然是不能满足屏蔽 要求的，只有加入滤尘防电磁干扰屏蔽通风板后使屏蔽效能达到100dB以 上，才能满足屏蔽要求。 上述的验算只是在一个频率点上运算，如果在8GHz时它的屏蔽效能 就会下降到25dB了。由于数字电路的驱动电流较大，致使辐射的强度也较 大；而高速时钟和数字信号又使得辐射频带加宽：由于时钟电路产生的信 号一般是周期方波，其谐波分量都是以基频为倍频的分立频谱，呈离散形， 但强度大，通常成为窄带噪声。而数字化信息信号（如数据线和地址线） 一般都是非周期信号，频谱很宽，而且强度较弱，通常被称为宽带噪声。 因此，辐射频谱将以窄带和宽带两种辐射叠加，频率可以以几兆赫兹到数 十吉赫兹。因此要对不同频段抑制量的预估及其干扰偶合结构的确定是比 较复杂的。加上屏蔽体上电缆的结构及数量、滤波及接地的状况、各种孔 缝的状态、材料厚度和特性等等诸多因素的影响，要对屏蔽体进行定量计 算其难度是很大的，因此一般采用定性的方法进行屏蔽设计。
电子设备的环境防护设计
梁绍文
2007年2月
电子设备的环境防护设计
为了更好地介绍系统（整机）的环境防护设计，下面用一 个机载计算机系统并结合一些基本概念予以阐述。 如图所示，该系统由一台主机（工控机）、液晶显示器、 键盘和鼠标组成，与其他设备一起构成一套组架式结构
机载计算机系统
系统的环境条件要求如下： （1）气候环境条件 工作温度 -25～+55℃ 贮存温度 -55～+70℃ 相对湿度 10%～90% （2）、振动试验要求 正弦振动 10～23Hz 0.44mm、23～52Hz 15m/s² 、 52～2000Hz 50m/s² 随机振动 A、标准振动环境，总均方值加速度为4.12g，持续时间为1小时。 10～40Hz +6dB/oct、40～500Hz 0.02g² /Hz、 500～2000Hz -6dB/oct B、耐久振动环境，总均方值加速度为6.08g，持续时间为3小时 。 10～40Hz +6dB/oct、40～500Hz 0.04g² /Hz、 500～2000Hz -6dB/oct （3）、电磁兼容测试要求 按GJB151A—97要求，进行如下顶目测试。 ● CE102 10KHz～10MHz电源线传导发射； ● CS101 25Hz～50KHz电源线传导敏感度； ● CS114 10KHz～400MHz 电缆束注入传导敏感度； ● CS115 电缆束注入脉冲激励敏感度； ● CS116 10KHz～100MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度； ● RE102 2MHz～18GHz 电场辐射发射； ● RS103 30MHz ～18GHz 电场辐射敏感度。
图1-5 滤尘防电磁干扰屏蔽通风板
下面用前面板的通风口的屏蔽效能来验算一下：
图1.6 面板通风孔 面板的通风孔尺寸见图1-6。面板的厚度为4mm，为了减小风阻，在面 板的内表面加工了2mm深的坑，因此通风口处的厚度实际上只有2mm厚， 即t=2mm。其它参数为： λ─取CPU的主频800MHz，λ =3×108/800×106（m）=37.5（cm） d─孔径，d=4mm a─孔眼的表面积，a=3.14×d2/4=0.126（cm2） n─每平方厘米的孔眼数。 通风孔数=16×21=336（个） 通风孔区的面积=（15×0.6+0.4）（20×0.6+0.4）=116.56（cm2） n=336/116.56=2.88（个/cm2） 屏蔽效能 SE=32t/d+20lg（λ/2d）（r/d）-︱10lgan︱ ∵λ»2d ∴SE=32t/d+20lg（λ/2d）-︱10lgan︱ =32×0.2/0.4+20lg（37.5/2×0.4）-︱10lg（0.126×2.88）︱ =16+33.42-4.4=45.02（dB）
图1-1 工控机系统（主机、显示器、键盘、鼠标）EMC加固前的测试曲线
图1-2 一体化便携式计算机EMC加固前的测试曲线
可以看出，工控机系统在14KHz～1GHz的频段内几乎全 部超出曲线的极限值，尤其在30KHz～300KHz的频段的辐射 发射值高达100分贝微伏；一体化便携式计算机在14KHz～ 1GHz频段内也全线超标。尽管这些设备都是通过了民品EMC 标准的(如FCC、VDE、CISPR22-1997、EN55022-1998、 GB9254-1998等)，但是它们的要求低得多，必须重新进行加 固才能满足军品的要求。
1.3电缆的设计选择 1.3.1电缆的辐射/接收
图1-9 某微机系统电缆连接示图
图1-9是某微机系统的电缆连接示图，从图中可以看出， 除了I/O接口电缆之外，微机系统本身的连接电缆就多达17根 （接地线未计入），这些电缆有的长达4.5米，因此电缆的防 护问题非常突出。图1-10和图1-11是初始时的EMC测试记录， 分别为2～30MHz及30～200MHz的电场辐射发射曲线。由于 互联电缆多且长，在测试时电缆布局比较混乱，没有理顺好， 而且键盘和鼠标的电缆是单层（铝箔）屏蔽的，并长达8根 （其中有6根长达4米），因此在整个频段内出现多处超标。 后来更换了鼠标和键盘的电缆为双层屏蔽电缆并缩短其长度 为2米，并在测试将各种电缆排列理顺好，从而使EMC测试达 到理想的结果，如图1-12所示。
图1-10 2～30MHz的电场辐射发射曲线
图1-11 30～200MHz的电场辐射发射曲线
图1-12 电缆处理后的电场辐射发射曲线
图1-13 电缆中的差模电流IDM和共模电流ICM
如图1-13所示，电缆产生电磁辐射的原因是有差模电流 和共模电流，差模电流IDM是沿着一根电缆方向上流动，而在 另一根电缆上相反方向流动。差模电流通常等于信号电流或 电源电流，而不在屏蔽体中流动。只要两根导线形成的环路 面积是小的，净辐射也是小的；共模电流ICM在同一方向上沿 电缆中所有导体平均地流动，包括屏蔽体，与信号无关，经 有关的接地网络返回，因此辐射环路是很大的，如不加控制， 结果是甚至小的ICM也会导致大的发射信号。因此，在系统中 电缆的安排应当尽量减小共模环路面积，避免悬空，使它们 尽量靠近地平面（机架）。
图1-8 液晶显示器
⑶．键盘与鼠标的屏蔽设计
为了解决键盘的屏蔽，首先采取了塑压外壳内表面喷涂导电涂料。 这种涂料主要由银（镍）粉和树脂加入添加剂经特殊工艺处理而成 ， 它的表面附着力强、体积电阻0.04欧姆· 厘米，高、低温及湿热等试验 中能满足国军标GJB367.2─87的环境要求。 据报导，在完全封闭的塑料体内表面喷涂40～50μm厚的涂料时， 其屏蔽效能在频率为150KHz～450MHz时可达60dB～46dB。因为实 际上不可能有一个完全电气连接的屏蔽体，键盘的外壳也不例外，除 了上、下盖四周的接缝外，面板上还有许多孔洞。我们曾经在一部电 话机的外壳内表面喷涂导电涂料后测试过，结果其屏蔽效能提高了 20dB左右。 显然，键盘外壳光靠内表面喷涂导电涂料是不能满足屏蔽要求的， 为此采取了双层屏蔽措施：在底层矩阵线路印制板上加入一层EMC箔 膜，并使它的周边良好接地；在上盖内侧安装了与键盘孔一致的屏蔽 夹片。此外，还将微处理器小印制板做了一个单独的屏蔽盒，以及连 接电缆采用屏蔽线缆并在端口加滤波等措施，以达到抑制EMI的辐射。 鼠标器的屏蔽也与键盘一样，外壳的内表面喷涂导电材料，并在 内部的连接缝隙上包上金属箔带，其连接电缆也采用屏蔽线缆。