设计能力


加固是指为满足电子设备环境条件,从电气和结构上对影响设备性能的各种因素(如系统结构、电气特性、机械物理结构等)所采取的优化设计、选择高品质材料以及工艺决策等相应的技术保证措施。加固分为先天型和后天型。 先天型又称全(内)加固,其研制周期较长,成本高;后天型是采用成熟的商用技术或产品按某种级别的环境边界条件进行的再设计,也称外加固,即COTS加固技术。如液晶显示器系列、加固网络交换机等,均是选用优良的商用母板或工业级主板进行的二次设计。它不仅有好的费效比,还能将飞速发展的最新商用技术成果及时吸收(移植)到研制中。因此COTS技术现已成为加固设计的主流。

加固是指为满足电子设备环境条件,从电气和结构上对影响设备性能的各种因素(如系统结构、电气特性、机械物理结构等)所采取的优化设计、选择高品质材料以及工艺决策等相应的技术保证措施。加固分为先天型和后天型。
先天型又称全(内)加固,其研制周期较长,成本高;后天型是采用成熟的商用技术或产品按某种级别的环境边界条件进行的再设计,也称外加固,即COTS加固技术。如液晶显示器系列、加固网络交换机等,均是选用优良的商用母板或工业级主板进行的二次设计。它不仅有好的费效比,还能将飞速发展的最新商用技术成果及时吸收(移植)到研制中。因此COTS技术现已成为加固设计的主流。  

为什么需要加固设计
一般电子设备环境条件是指设备在生产、贮运及使用中所经历的一切外界影响因素的综合。根据各类环境自身的物理、化学、生物学等特点及其对 电子设备的失效机理可分为以下几类:
气候环境:温(湿)度、风、雨雪冰霜、凝露、沙尘、盐雾等;
机械物理环境:振动、冲击、碰撞、跌落、摇摆、应力、颠振、噪声等;
电磁环境:电磁场、电磁脉冲、雷电、静电火花、太阳辐射、核辐射等;
化学环境:腐蚀性大气、酸、碱、盐等;
生物环境:霉菌、微生物等。

振动与冲击
电子设备面临的机械物理环境复杂多变。会受到诸如振动、冲击、摇摆、颠振等各种形式的机械力。其中危害最大的就是振动和冲击。它将造成两种破坏形式:
1)电子设备在某一激振频率作用下产生振幅较大的共振;
2)长期的振动或多次重复冲击,易使设备结构产生疲劳损坏。

热环境  
热环境包含两方面:一是恶劣的大气自然环境;二是封闭式电子机箱(柜)由于高密度和小型化而带来的高热流密度,如印制板的元器件、电源模块的热功耗等是主要热源。据资料介绍,沙漠高热气候,曾使发射架上的雷达荧光屏时而变成空白,原因就在于空调战车里的加固计算机因高温失灵,电子线路被烤化所致。因此,热设计的处理不当是导致电子设备功能失效的主要原因之一。

电磁环境  
随着舰船上电子设备的大量使用,电磁环境复杂,电磁信号的密度高,频域宽,因此电磁干扰(EMI)问题十分严重。其构成要具备三个条件:干扰源、干扰途径、被干扰对象(敏感设备)的响应。这些干扰应该被消除或抑制到最低限度,否则设备或系统就无法有效和谐的完成其功能。

抗振动冲击设计
从板级、模块、箱体到整机建立一套从小到大、由内至外具有层次性的抗振设计体系,不仅技术成本低而且抗振效果十分显著。基本设计措施不外乎涵盖两点:一是立足于增强板级或模块箱体自身的刚度和强度,即提高固有频率。使“先天”就具备良好的动态特性;二是对振动冲击源的隔离措施。原则上就是给整机加装匹配的隔振缓冲系统。
随着模块化设计理念的深入,在电路板、插件模块、主机箱体等基本单元开始,就从其机械结构本身的强度和刚度着手,在薄弱环节上进行加强,使它具备一定的“健壮性”。通过如模块板上元器件配置与灌封、壁板的结构模式、箱体的整体焊接工艺等,促使其自身的抗振能力容许或高于实际响应值;而组装后的电子机柜还将从整体载荷、几何重心、环境激励频率等因素综合考量以配置最佳的整体隔振缓冲系统。以期最终获得整机的无共振、低耦合的系统动态特性。
特定情形下对于高精密的,如硬盘、光驱等模块,因其内部的读写磁头定位精度要求极高,当系统隔振效能无法满足敏感部件的响应指标时,就需要利用二级隔振原理。但需要注意的是:只有在激振频率变化范围不大的情况下二级隔振才有效。否则会因产生多级谐振而适得其反。因而工程设计时对于增加的系统自由度、隔振参数的选择都要慎重分析,优化处理。

热设计
散热是结构设计的重要项目之一。其目的是减小传热环节的热阻,形成一条低热阻的热流通路,使热能迅速传递至最终散热器(通常为设备的周围小环境),使各类功耗元器件或设备的温度控制在规定量值内。它的技术方案要满足两个基本点:一是把设备的温度限定在某一最大和最小之间;二是尽量使设备内各点之间的温差梯度最小。
常规的热设计方法已十分成熟。总的设计原则是:对于元器件和印制电路板主要着眼于表面贴装后的良好辐射或传导散热;而模块式密闭机箱机柜则力求冷热空气的循环交换。如在具备空调系统的指控舱室中,电子机柜或显控台普遍采用风机实现强迫对流散热,经济而且效果良好。而在特殊的环境下也可采用液体循环冷却方式进行处理。但其成本高,内部结构庞杂。这里简要介绍近几年在型号工程中成功应用的部分温控新技术。如在某计算机CPU模块板上首次利用热管导热技术设计的新型导热板,提高了板级的散热效能,拓宽了表面贴装散热技术的应用;而某型网络交换机的加固,首次采用相变传热技术将主板芯片与环境的温差梯度降到10℃以下,成功解决了大功率密闭机柜内外的低阻传热课题。

电磁兼容设计
EMC的设计措施主要是针对性的从三方面入手:
控制干扰源的电磁辐射;抑制EMI的耦合通道;增强敏感设备的抗干扰能力。具体到工程设计中主要涵盖了几种基本方法:
1)良好的接地。接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。一般低频时采取单点接地,高频时采取多点接地;
2)屏蔽措施。简言之,就是用屏蔽体将元器件、部件、电路、电缆(包含布线)或整个系统包围起来,防止干扰电磁场向外扩散或本身免受外界干扰。在结构及工艺方案上从合理选择结构板材、正确的搭接工艺、合适的孔洞及缝隙处理、电缆的优化布置等多方面着手;
3)滤波技术。滤波能对EMI传播途径之一的传导耦合进行十分有效地抑制。因此结构设计中滤波器的选用和安装方法尤为重要。EMI的干扰途径、耦合方式、危害程度都十分复杂,所以在综合加固设计方面,EMC是一项重点,在工程应用中也是难点。
另外,随着武器系统的发展,由电磁炸弹或核爆炸产生的电磁脉冲将对电子设备构成致命威胁。为了提高包括舰载指控系统在内的电子设备战时的生存能力,加强对设备电磁脉冲效应及其防御技术的研究课题也已经引起了相当的重视。因此,鉴于电磁脉冲防御技术以及EMC的复杂性,这些都将是今后需要进一步重点研究的领域。