第二章电子设备防护设计

第二章电子设备的防护设计

本章主要内容：电子产品满足工作环境要求的关健是做好其结构设计。主要从工作环境（气候环境，机械环境，电磁环境）等方面介绍电子产品的结构工艺方法。

1、气候因素（潮湿、霉菌、盐雾等）对电子设备性能的影响及防护措施，从材料选用、表面涂覆、合理的结构设计等方面介绍了金属防腐的相关知识。

2、温度对电子设备的影响及电子设备散热原理，从热的传导、热对流、热辐射的原理出发，分析了电子设备自然散热与强迫散热途径，提出了增强电子设备散热能力的方法和措施。

3、防电磁干扰的屏蔽原理和提高屏蔽效果的措施，较详细地分析了各种屏蔽结构的特点及注意事项，介绍了目前一些新的屏蔽技术。

4、从机械环境（特别是机械振动）对电子设备的影响，介绍振动与冲击的隔离原理，并对元器件及整机结构的振动情况进行分析，提出了电子设备从结构方面提高振动冲击能力的方法与措施。2.1电子设备的气候防护本节教学要求：掌握电子设备的气候防护方法。一、“三防”措施1、防潮湿：浸渍、灌封、密封、对某些设备定期通电、放硅胶等干燥剂吸潮。2、防盐雾：电镀、密封、灌封。3、防霉菌：控制环境温度阻止霉菌的生长；密封加干燥剂；使用防霉材料；用防霉剂处理零件和整机。二、防腐蚀的措施1、采用耐腐蚀材料；2、采用表面涂覆；3、采用合理的金属构件。

气候环境要素有:温度、湿度、气压、盐雾、风沙、太阳辐射等。

对电子设备气候因素的影响的防护，一般从以下三方面考虑：

1、选用适当的材料；

2、采取化学和电化学防护措施；

3、采用相应的结构措施。

2.1.1潮湿、霉菌、盐雾的防护2.1电子设备的气候防护气候环境要素有：温度、湿度、气压、盐雾、风沙、太阳辐射等。对电子设备气候因素的影响的防护，一般从以下三方面考虑：

1．选用适当的材料

2．采取化学和电化学防护措施

3．采用相应的结构措施

1．潮湿的防护电子设备受到潮湿空气的侵蚀，会在元器件或材料表面凝聚一层水膜，并能渗透到材料内部，从而造成绝缘材料的表面绝缘性能下降，体积电阻率降低，介质损耗增加，导致零部件电气短路、漏电或击穿等；潮气还能引起覆盖层起泡甚至脱落，使其丧失保护作用。防潮湿的措施很多，常用的方法有浸渍、灌封、涂覆等。(1)浸渍浸渍是将被处理的元件或材料浸入不吸湿的绝缘漆中，经过一段时间使绝缘漆液体进入元件或材料的小孔、缝隙和结构件的空隙，从而提高元件或材料的防湿性能和其他性能。

(2)灌封灌封是用热溶状态的树脂、橡胶等将电器元件浇注封闭，形成一个与外界完全隔绝的独立的整体。灌封除可保护电子元件避免潮湿、腐蚀外，还能避免强烈震动、冲击及剧烈温度变化等对电子元件的不良影响。

(3)其他防潮手段密封是防潮湿的最有效方法。密封是将零件、元器件、部件或一些复杂的装置，甚至整机安装在不透气的密封盒内，这种防潮手段属于机械防潮。作为防潮湿的辅助手段，有时可以对某些设备用定期通电加热的方法来驱除潮气，也可通过在设备内存放硅胶等干燥剂吸掉潮气。2．盐雾的防护盐雾是一种含有盐分的雾状气体，主要发生在海上和海边，在陆上可以因盐碱被风吹刮起或盐水蒸发而引起。盐雾对设备的影响主要表现在其沉降物溶于水，在一定湿度条件下对元件、材料和线路产生腐蚀或改变其电性能，使设备的可靠性下降。

3．霉菌的防护霉菌是指生长在营养基质上而形成绒毛状、蜘蛛网状或絮状菌丝体的真菌。它使材料性能劣化，表面绝缘电阻下降，漏电增加。霉菌的代谢物也会对材料引起间接的腐蚀，包括对金属的腐蚀。电子设备的霉菌防护的方法有以下几种：

(1)控制环境条件，足够的紫外线辐射，定期对电子设备通电增温。

(2)密封防霉，将设备严格密封，并加入干燥剂。

(3)使用防霉材料。

(4)用防霉剂处理零件和整机。

2．1．2金属腐蚀的防护

1．金属的腐蚀金属和合金由于外部介质的作用而遭到的破坏称为腐蚀。金属的腐蚀分为化学性腐蚀和电化学腐蚀。腐蚀造成机械性能变坏甚至失效，机械传动系统的精度降低，导电性能降低，电磁元件的参数改变等不良后果，使设备的可靠性下降。

2．金属的防腐蚀措施

(1)材料的选择

(2)采用表面涂覆方法

(3)合理设计金属件结构2.2电子设备的散热电子设备中任何一个具有实际电阻的载流元件都要将一部分电能转化为热能，即都是热源。采取有效散热手段确保设备的工作温度低于极限温度，使设备在正常环境中工作，才能提高其可靠性和稳定性。2．2．1温度对电子设备的影响温度对电子设备的影响分为对电子元器件的影响和对整机的影响。温度对电子元器件的影响主要表现在电性能改变和噪声增大等，严重时损坏元器件。表2.2列出了常用元器件表面的允许温度值。高温环境对电子设备的主要影响有：(1)氧化等化学反应加速，表面防护层老化。(2)增强水的穿透能力和水汽的破坏作用。(3)使有些物质软化、融化，使结构在机械应力下损坏。(4)使润滑剂粘度减小，发生流失和蒸发，丧失润滑能力(5)使物体产生膨胀变形，从而导致机械应力增大，运行零件磨损增大或结构损坏。

低温环境则会使空气的相对湿度增大，有时可能达到饱和而使机内元器件及印制电路板上产生凝露现象，使故障率大大增加。另外，低温环境还会使某些材料性能变脆或严重收缩，造成结构损坏。2．2．2热的传导方式热能的传播方式有三种：传导、对流和辐射，三种传播方式往往同时存在。1．热传导热传导是指物体内部或两物体接触面间的热能交换。热传导是固体中热能传递的主要方式。各种物质的导热能力多少，除与材料的导热系数有关外，还与发生传热的两点的温差及传热面积、传热距离有关。增强热传导散热的主要措施有：（1）选用导热系数较大的材料制造导热零件（2）在两接触面间涂硅脂或垫人软金属箔，如铟片、铜箔等。(3)尽量缩短热传导路径，导热路径中不应有绝热或隔热元件。2．热对流热对流是指流体(气体或液体)与高温物体(固体)表面直接接触，相互间所进行的热能交换。热对流可分为自然对流和强迫对流两种。自然对流是由于冷热流体的密度不同而引起介质的自然运动；强迫对流是受机械力的作用促使流体运动。增强对流散热的主要措施有：

(1)加大温差△t，降低散热物体周围对流介质的温度。

(2)加大散热面积，采取有利于对流散热的形状和安装位置。(3)加大对流介质的流动速度，选择有利于对流换热的流体介质，以带走更多的热量。3．热辐射热辐射是以电磁波辐射形式进行的热能交换。由于物体只要其温度高于绝对零度(—273℃)，都会对外辐射电磁波，所以自然界物体大多均在对外辐射能量，这种以电磁波对外辐射能量的现象，称为热辐射。加强热辐射散热的主要措施有：

(1)在零部件或散热片上涂覆黑色粗糙的漆，以增强辐射能力。对热敏感元件的表面应做光亮的表面，以减小吸收辐射。

(2)加大辐射体的表面积。

(3)设法降低设备周围温度，加大辐射体与周围环境的温差。2．2．3电子设备的散热及提高散热能力的措施1．自然散热电子设备的自然散热途径通常有两种情况：对于封闭式机箱，另一种对于敞开式机箱。实际上必须从两方面来考虑电子设备的自然散热问题：一方面是提高机壳向外界的热传递能力；另一方面是改善设备内部电子元器件向机壳的传热能力。

(1)机壳的散热设计机壳在自然散热中起重要作用，应充分考虑热传递的途径，进行合理的散热设计。①降低壁面传热热阻或增加换热表面积②加强电子设备的辐射散热能力，主要是提高电子设备机箱外壳和元器件外表面的热辐射能力。③提高对流换热效果(烟囱效应)

(2)设备内部的自然散热①设备内部电子元件的散热a．电阻电阻的温度与其型式、尺寸、功耗、安装位置以及环境温度有关。b．变压器变压器主要依靠传导散热。

c．晶体管对于功率小于100mW的晶体管，一般不加散热器，

d．集成电路主要依靠其外壳及引出线的对流。

②合理布置元器件：

A．在设备内部，各元器件、结构件间应保持一定距离，以利于空气流动，增强对流传热。

B．在印制板上安装元器件时，使整个印制板上元件的温度较均匀。

C．对热敏感元件，可采用热屏蔽的方法来解决。

③合理安排印制板若设备中只有一块印制板，水平或垂直放置均可；若设备中有多块印制板，应垂直并列安装且间隔不小于30mm，以利于自然对流散热。④合理安排机箱内的结构件尽量增大进出风口的距离和它们的高度差，增强自然对流。大面积的元器件(如机箱底的底板、隔热板、屏蔽板等)要特别注意其位置.

2．强迫通风散热强迫通风散热适用于中、大功率的电子设备，利用风机进行抽风或鼓风，加速设备内气流速度，达到散热目的。(1)整机的抽风冷却(2)整机的鼓风冷却2．2．4元器件的散热及散热器的选用电子设备中使用的电器元件流过电流时，要产生热量，特别是一些大功率元器件产生的热量很多，温升很高，必须采取有效措施将这些热量散发出去。本节仅以晶体管散热器的选用做简单介绍。

1．晶体管的热阻和最大允许集电极功耗的关系晶体管的PCM、Tjm与环境温度Ta和管子的散热能力之间有以下关系：

Tjm=Ta+RTPCM或：

PCM=（Tjm－Ta

）/RT式中:RT：为热阻，为热阻，Tjm：最大允许结温；Ta：环境温度；PCM：最大允许集电极功耗。热阻反映了晶体管的散热能力，热阻愈小，则管子散热能力愈好。单位是℃／W。提高一个晶体管的PCM，需要增加管子的散热能力，也就是减小它的热阻。目前，改进管子散热能力的主要方法是装散热器。晶体管的散热系统(1)晶体管散热器①平板型散热器，②铝型材(平行筋片)散热器，③叉指型散热器，④辐射式散热器，⑤针状散热器，(2)晶体管的散热系统分析加散热器后，晶体管的散热系统如图2．16所示，管壳传热有两条路径：管壳通过对流与辐射把热量直接传播到周围间。管壳把热量传给散热器，散热器把热量通过对流及辐射散发到周围空间。

在散热计算时，为确保晶体管工作可靠性高，寿命长，必须使耗散功率小于最大耗散功率，亦即Tj<TJm式(2．11)、(2．13)是分析计算的基本关系。必须采取有效措施解决晶体管的散热量问题，否则这些电器元件的工作性能就会变坏，严重时还会烧坏。2．3电子设备的减振与缓冲2．3．1振动与冲击对电子设备的危害电子设备在使用和运输过程中，不可避免地会受到振动、冲击等机械力的作用，如果结构设计不当，就会导致电子设备的损坏或无法工作。振动与冲击对电子设备的影响是多方面的，一般振动引起的是元器件或材料的疲劳损坏，而冲击则是由于瞬时加速度很大而造成元器件或材料的应力损坏；振动引起的故障约占80％，冲击引起的故障约占20％。2．3．4电子设备减振缓冲的结构措施为了保证电子设备在外界机械力的作用下，仍能可靠地工作，除了安装减振器进行振动、冲击隔离外，还应考虑对电子设备采取防振和缓冲措施，这些措施归纳起来有以下几方面：

1．电子设备的总体布局电子设备整机的耐振耐冲程度在元器件已决定的情况下，主要取决于元器件的布局和安装方式。2．元器件的布置和安装(1)导线和电缆(2)继电器(3)晶体管(5)电容器和电阻器(6)印制电路板(7)机架和底座

3．其他措施※消除振源：即减少或消除振动和冲击的干扰源。※隔离：在设备和基础之间安装减振器，以减少振动和冲击对设备的危害。2.4电磁干扰及其屏蔽2．4．1电磁干扰概述电子设备的内部及外部都存在着各种电磁干扰。外部电磁干扰：是指设备除所要接收的电磁波信号以外的其他电磁波的干扰，这些电磁波是通过外壳或输入馈线等途径输入设备内部的。内部电磁干扰：是指设备内部电路单元之间、元器件之间及导线之间的电磁方面的干扰。在电子设备内这些电磁干扰，我们统称寄生耦合。

电屏蔽：用于抑制共地电路之间的电场干扰的屏蔽物，即抑制寄生的电容耦合。磁屏蔽：用以衰减恒定或低频磁场(f<150kHz)的屏蔽物，可抑制恒定或低频磁场干扰。电磁屏蔽：用于衰减高频电磁波