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过去几年中,电子设备的生产数量和使用量显著增加。一方面,信息存储与电脑计算的使用成本正在大规模地降低,另一方面,电子设备愈加复杂的特点为人们带来了更简易的操作方法,电子元器件开始前所未有地入侵人们的生活。而技术的革新则让污染重大的电子设备变得更加绿色环保,同时也为生活带来更多好的可能性。“未来,能源的采集和电子设备的能源供应方式可能还会深入到细微的人体运动的层面。”全球著名的连接器产品供应商TE Connectivity的执行副总裁兼首席技术官Rob Shaddock与《第一财经周刊》分享了他的经验。
C:目前全球技术领域的主要趋势有哪些?
S:技术行业大的趋势一直在持续,尤其是在电子方面,发展非常快,比如说绿色新能源的运用、物联网的发展、海量数据的传输、工业自动化和基础设施的升级。其中,随着信息存储的成本越来越低,电脑计算的成本越来越低,电子元器件成本也越来越低。这些成本的降低让越来越多的人大量使用电子设备,当然,使用的方式也会越来越复杂。而随着电子产品的复杂化,材料方面会有更多的创新。计算技术的发展可以让材料使用更加准确,不论是性能还是使用量,计算机模拟设计可以把许多不必需的材料去掉。
C:你认为绿色能源目前在全球范围内有哪些进展和革新?
S:高新能源的使用仍处于起步阶段,当然,以后会有更多的创新。从目前看来,新形态的电池是每个人都希望的东西,但革新是很慢的。总体来讲,清洁能源的广泛使用仍然是一个比较长期的过程,其中,风能和太阳能的使用会比较多且有效。另一个值得一提的问题是能源的存储,因为清洁能源的制取经常是非连续性且有波动性的,因此,其产生的电能的存储量是清洁能源能否有效利用的关键所在。
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关键词:电子设备;屏蔽结构;功能设计
随着电子设备使用频率越来越高,但电磁环境不断恶化,为了发挥电子设备的性能,提升抗干扰能力,避免受到电磁的干扰,这对电子设备电磁屏蔽性能提出了更高的要求和标准。因此,本文结合实际情况,针对电子设备电磁屏蔽的结构设计展开论述,并且提出合理化建议。
1电子设备屏蔽设计标准
就目前而言,电子设备主要包括骨架、盖板以及前后板等,其中可拆连接的接触面具有一定的导电接触,因此,在实际设计过程中,电子设备内部的孔洞、缝隙要满足屏蔽的需要。在实际设计过程中,屏蔽设计要求不尽相同。对电屏蔽而言,可以利用良导体隔离经电容性耦合传递的影响。电磁屏蔽主要应用在高频设计过程中,主要原理是利用金属反射和金属层内吸收来限制电磁的干扰,在实际设计过程中,具体包括以下要求:第一,要保证材料质量,因此,设计人员在进行电磁屏蔽分析过程中,会认为屏蔽体导体在理想运行状态下运行,导致在实际应用中,屏蔽体具有阻性,并且随着屏蔽体阻抗的增加,屏蔽的性能就会越差。因此,在屏蔽材料选择过程中,要选择性能良好的导体。对电屏蔽厚度而言,需要根据电子设备屏蔽结构进行设计,保证金属壳体封闭性,最大限度的减少孔洞和缝隙,并且采取必要的防护措施。屏蔽体要做好接地设计,根据行业标准,接触电阻要小于2m譆。在进行屏蔽电子设备运行过程中,影响屏蔽效能的因素主要包括以下几个方面:第一,缝隙问题,在实际的屏蔽体中,导电体具有很多不连续点,就会在各个部分结合处,产生电磁泄漏问题,解决这种问题的方法,就是在缝隙的位置,填充一些弹性的导电材料,从根本上消除不导电点。但是在实际应用过程中,不是所有的屏蔽体的缝隙需要电磁密封衬垫防止电磁泄漏。因为对实际的设计而言,缝隙泄漏电磁波主要取决于电磁波波长的尺寸。如果遇到较高频率干扰的情况下,需要使用电磁密封衬垫。第二,孔洞问题。在电子设备上,会包括很多开关、连接器以及保险丝等,设计人员需要在面板上,加工出相应的安装孔,为了提升机箱的散热效果,设计人员要在机箱上设置侧板孔、抽气扇进风孔等,对开孔的形状和周长要满足实际设计标准,在电子设备运行过程中,电流通过孔洞时,就会通过辐射的方式发射能量,并且与孔洞的大小周长有着密切联系。
2缝隙电磁屏蔽设计
下面主要分析缝隙电磁屏蔽设计。2.1控制好螺钉的间距在实际设计过程中,螺钉具有重要的连接作用,并且间距会直接影响了屏蔽的效果。螺钉能够有效缩小接件的缝隙,提升屏蔽的效果。但是一旦螺钉过密,就会增加设备安装的难度,增加了工作量和设计成本。因此,设计人员要从全局出发,结合电子设备的强度,确定科学合理的螺钉间距,在实际设计过程中,缝隙设计间距e咬/20。2.2采用簧片屏蔽设计针对螺钉设计过密的情况,对需要经常拆卸的电子设备而言,还要从其它方面做好电磁屏蔽设计,在设备的两个接触面上,设置屏蔽簧片。其中EMI屏蔽簧片具有良好的导电性能,并且运行空间比较大,可以满足不同屏蔽要求。这种簧片材料主要以铍青铜、磷青铜为主,具有很强的耐磨性和耐压性,在高温的条件下,也能正常运行。2.3导电衬垫的屏蔽设计这种设计方式主要实现屏蔽体的电接触,提升导电的连续性,有效的防止缝隙电出现泄露,具有良好的密封作用,就目前而言,通常主要包括以下两种形式:第一,平面安装式。就是在把衬垫的背面通过背胶把衬垫和屏蔽体连接起来,保证衬垫具有一定的压力,其中典型的C型导电布衬的平面安装模式得到了广泛的应用。第二,沟槽安装形式。在沟槽安装形式中,就是把衬垫装在沟槽中,可以利用D型导电布衬垫粘装到沟槽中,从而保证面板侧面之间的相互配合,提升衬垫的压力,保证通电正常。2.4凸包屏蔽结构设计为了有效减少屏蔽体缝隙线性尺寸,设计人员可以结合实际情况,在屏蔽体设计凸包,并且应用在屏蔽区域内,从而形成一个弹性的变量,实现两个屏蔽体之间有效的连接,采用这种设计模式,能够有效减少螺钉的密度,节约设计材料,降低设计强度,具有很强的实用性。2.5深缝隙结构设计在采用深缝隙结构设计过程中,深度越深,屏蔽的效果就会越明显,因此,设计人员要结合实际情况,不断加深缝隙的深度,从而提升电子设备电磁干扰性。
3孔洞的电磁屏蔽设计
受到自身性能的影响,为了解决电子设备通风散热和接线问题,在实际过程中,需要设置孔洞,从而降低了电子设备的屏蔽效果。下面就针对孔洞电磁屏蔽设计展开论述。3.1通风口电磁屏蔽设计3.1.1在电子设备通风口架设金属丝网。在电子设备实际应用设计过程中,金属丝网是比较常用的非实壁型屏蔽体,这种材料主要包括铜铝等。电子设备通风口通常比较大,因此,可以采用钼数较高的金属丝网安装在窗口的位置,设计人员要把窗口分成细小的通风口,从而获得良好的屏蔽效果。对金属丝网可以直接焊接在屏蔽体上,保证金属丝与屏蔽体具有良好的电接触,但是在实际装配过程中,要做好金属丝网的保护,提升屏蔽的效果。3.1.2在屏蔽体上开通风孔。在实际过程中,装配金属网在设计过程中,很容易出现一些屏蔽的缺陷,很容易出现接触不良或者断丝的情况,针对这些问题,可以在屏蔽体设置风孔,从而优化设计工艺流程。在实际应用过程中,设计人员可以采用圆形结构,避免采用异型孔,从而增加设计难度。3.1.3介质波导通风蜂窝板屏蔽体应用。设计人员在设计屏蔽要求很高设备过程中,为了提升通风效果和抗电磁屏蔽效果,在实际设计过程中,可以采用波导通风蜂窝板屏蔽体,就可以有效减少空气阻力,降低风压损失,提升机械强度,发挥电子设备良好的性能。3.2穿心电容与屏蔽罩的应用在电子设备设计过程中,需要设计人员做好开关、表头、指示灯等的设计,明确设计标准。为了有效防止在开口处形成电磁泄露,可以在点在设备元件后,装置屏蔽罩,加装穿心电容,并且传过屏蔽罩,连接元件,同时要保证屏蔽罩与面板良好的接触性能,实现电磁屏蔽。3.3屏蔽窗设计对指示器、监视器等,设计人员可以结合实际情况,设计导电玻璃,然后连接到面板,对高频电磁屏蔽结构,可以使用金属夹丝层的导电玻璃。
4结束语
综上所述,在进行电子设备屏蔽结构设计过程中,设计人员要结合实际屏蔽要求,采用合适的设计方式,针对设计不同的情况,选择合理的材料,从而提高设备抗电磁干扰性,获得良好的屏蔽效果,发挥电子设备的重要作用。
参考文献
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[5]张忠海.电子设备电磁屏蔽的结构设计[J].机械与电子,2005(05):74-77.
1.1电磁的兼容性
在频谱资源、时间和空间有限的情况下,各电子系统和设备能够互不干扰的状态称之为电磁兼容性。要对电子产品的质量进行衡量,电磁兼容性是一个重要的指标。要通过电磁兼容性来消除和控制电磁干扰,使电子系统和设备在一起工作时不会降低和恶化任何部分的工作性能。
1.2电磁干扰的来源
电磁干扰的形式包括电磁场干扰、电感性(磁场)干扰、电容性(电场)干扰,必须详细了解电磁干扰的来源。煤矿井下的电磁干扰主要有两方面的来源,外部干扰源带来的干扰是其中一种。设备外部的电源和线路会对设备造成电磁干扰,表现在以下五个方面:第一,电力机车的接触网造成的电磁干扰。电力车的轨道钢轨是接触网的地线,其直接与巷道中的岩石接触。这也造成了岩层中流入了大量的杂散电流,形成交变分量的电磁干扰。这一类型的电磁干扰不仅具有电力电缆电磁干扰的特性,而且还具有随机脉冲特性。第二,煤矿井下电力电缆带来的干扰。由于在电力电缆中突然接入了大功率的设备,造成了电压的波动,从而形成高次分量的频谱,形成电磁干扰,这一类型的电子干扰具有起伏性、周期性和脉冲的特点。第三,环境温度造成的电磁干扰。设备内部的一些元件对温度比较敏感,温度的变化会使其参数发生改变,进而对其他原因造成干扰。第四,变频装置和外部大功率设备造成的电磁耦合效应产生的电磁干扰。第五,外部电源漏电造成的电磁干扰。
2电磁干扰的传播形式
2.1直接传导
通过导线能够将电磁干扰从干扰源传递给电子设备。在煤矿井下如果电子设备和干扰源具有电气联系或者共用一个电源,就会出现直接传导。
2.2辐射传播
当电磁干扰源具有较高的频率时,而扰的电子设备与电磁干扰的波长相比较大时,或者干扰对象和电磁干扰源之间的距离r≥λ/2π,就会以干扰源为辐射场向外辐射电磁。这样一来,电子设备中的敏感元件就会受到电磁波的能量。一些具有天线效应的控制线和输电线路能够接收空间中的电磁辐射能,一旦超过了电子设备的电磁兼容性,就会影响电子设备的工作。
2.3感应耦合
当电磁干扰源较低的频率时,而且扰的电子设备的几何尺寸与电磁干扰波长相比相对较小,或者扰设备与电磁干扰源之间的距离r≤λ/2π,就可以将电磁干扰源视为感应场或者似稳场。此时其对电子设备的影响主要是通过电子感应的方式来传播电子干扰,包括电感性耦合、电容性耦合和共阻抗耦合等。与辐射传播不同的是,能量通过感应耦合的方式传输时,随着传输距离越来越远,能量也会加速衰减。与此同时,感应耦合的传播方式具有很强的方向性。
3煤矿井下电子设备电磁干扰的预防措施
3.1控制干扰源
3.1.1在电路设计时对干扰源进行控制。以开关电源为例,电源能够产生强大的电磁干扰,其原因在于切换放过性质的电压电流还出现了较大的谐波电流和电压。这就需要保障开关电源的可靠性和稳定性,做好开关电源的电路设计工作,尽可能地削弱或抑制电磁干扰的产生。要尽量避免90°折线的电路布线,并且使用负反馈电路。要对模拟电路PCB布线和数字电路进行正确的分区,特别是提高对相邻线之间的信号的信距和间距的重视,以避免出现串扰的现象。要使用小电流电路与大电流电路的单点接地,从而减小共组干扰。与此同时,还可以将输出整流回路包围的面积减小。
3.1.2控制电磁干扰源传播的能量。可以通过超导线圈耦合电容或者降低干扰源的电压来降低干扰信号的电压,从而实现控制电磁干扰源传播的能量。与此同时,也可以使用分流的方法对其进行控制,例如分散场分布降低强场、使用加接分流回线的布置来削弱回路面积较大、线路引线较长的耦合干扰。
3.2控制电磁干扰的传播途径
3.2.1滤波。通过滤波能够限制干扰信号,使有用信号能够顺利通过,对电子设备进行保护。滤波能够有效地消除干扰耦合、抑制干扰源。例如将滤波器安装在直流电源的输出端,就可以将脉冲频率中极高的部分吸收掉。按照原理可以将滤波器分为吸收式和反射式两类,吸收式滤波器在煤矿井下用的比较广泛,其主要组成部分是铁氧体材料制成的有耗器件,能够吸收阻带内的噪音,消除电磁干扰。
3.2.2屏蔽。屏蔽主要是用来应对辐射耦合感应的电磁干扰,能够将辐射来的电磁波切断,隔离屏蔽体内外的“场”。如果扰设备和干扰源之间的距离≤λ/2π则为近场,反之则为远场。电磁干扰主要集中在远场,要选择良好的金属导体作为屏蔽材料,选择导磁性较好的材料作为屏蔽低频磁场的材料,选择较薄的良导体作为屏蔽高频磁场的材料。如果需要同时对磁场和电场进行屏蔽,就要选择对较小的良导体材料。要以材料吸收电磁波的性能为依据,选择合适的屏蔽材料厚度。要保障屏蔽外壳的完整性最好能够使用防爆外壳。然而煤矿井下使用的防爆外壳具有一定的孔缝,降低了屏蔽的效果。为了减小泄漏,可以在孔缝中加入金属丝网或导电衬垫。
3.2.3接地。接地指的是地下或者接入作为参考的电路的某一点,因此称为悬浮地。常见的接地形式有混合接地、多点接地和单点接地,被接地的对象主要是机壳接地、功率接地和弱信号接地。单点接地适用于低频电路,高频电路则应该使用多点接地或者扩大地下面积,尽量使用粗短的引线并且就近接地。
3.3增强电子设备的抗干扰性能
电子设备的抗干扰能力能够通过屏蔽、接地等方式得到提升,与此同时也可以使用光电耦合实现分离,从而增强电子设备的抗干扰性。在进行电子设备的电路设计时要考虑到电子设备干扰性的问题。
4结语
关于车载电子设备,一般概念是指不涉及车辆控制与行车安全(诸如行驶系电子控制系统、安全系电子控制系统、传动系电子控制系统等等)的电子设备,是在汽车环境下能够独立使用的电子装置,他和汽车本身的性能并无直接关系,因而其大致可分为两类,一类是包括汽车信息系统、导航系统、音响系统及电视娱乐系统等等,是属于一般性的车辆辅助设备,另一类则是为执行特殊任务及工程任务的专用设备。对于这类车载电子设备,一般则有两种供电方式:一种是直接取用车上12V或24V车载电瓶,另一种是通过采用逆变器将电瓶电源转换为220V的交流电源,间接获得电源。然而这些方式下的设备总功率必将受到一定的限制,因此电源的效率是设计的重点,尤其是大规模集成电路以及数字电路的设备上的广泛应用,需要5V、3.3V以下的电源。
2.电源效率
2.1 逆变电源
由于是车载环境,设备的总功率受到限制,因此,对于采用220V的交流电作电源的设备,为了获得220V的交流电,工频逆变器则是关键部件,大多数是直接采用专业的单相逆变器,可提供比较大的输出功率,稳定的电压,谐波干扰小,负载能力强,有较高的电源效率。高端逆变器是纯正弦波电压输出,国外名牌产品尤其是欧美产品,效率都很高,可达到90%以上,而欧洲的标准是97.2%,但价格也昂贵,而国内产品则大都在90%以下,稍次点的是准正弦波逆变器,电源效率也很高,但电源谐波干扰相对较大,对要求高精度的设备不利,而方波逆变器则因为三次谐波较强而引起电磁污染严重,而且负载能力差,仅是额定负载的40~60%。概括来说,纯正弦波逆变器通过高质量的交流电,可驱动任意负载,但其技术要求及成本很高。而准正弦波逆变器,可以满足大部分的设备需求,价格适中,也是目前市场的主流产品,方波逆变器则技术含量低,效率不高而逐渐没有了市场。
2.2低压电源
低电压的直流稳压源,是大多数的电子装置及设备所必需的。就目前的技术,直流稳压电路中最常见的、应用最广的有线性稳压电源和开关稳压电源,它们各自都有一定的特点及适用范围。
2.2.1 线性稳压电源
直流线性稳压电源就其工作原理,简单地说,就是一个用等效的可变电阻器与负载串联或并联,通过控制可变电阻器发挥其分压或分流作用,使负载端电压保持恒定。
因此这类电源有一个共同的特点就是它的输出电压比输入电压低,其调整管工作在线性区,调整管与负载或串联或并联,通过改变调整管压降来稳定输出,属于降压型的稳压器。
此类电源优点是稳定性高,纹波小,可靠性高、元件最少、输出噪声最小、静态电流最小,价格也便宜。但是缺点也很突出,效率低,因调整管工作在放大状态,以致稳压器上的压降越大、负载电流越大,功耗就越大,效率更低。
2.2.2 开关型稳压电源
与线性电源相比,开关电源是运用“斩波”技术这一更为高效的工作方式。其核心是DC/DC变换电路,也称直流斩波电路。是一项能量(功率)控制技术,运用电感、电容的储能特性,通过可控开关的通断时程,间断地将输入的电能储存在电容(感)里,然后再释放给负载,从而提供合适的电能给负载。其输出的功率或电压的能力与占空比(由开关导通时间与整个开关的周期的比值)有关。
DC/DC变换电路就是将输入的直流电压变换成固定的或可调的输出直流电压。主要控制方式为脉冲宽度调制(PWM)控制,DC/DC变换电路广泛应用于开关电源。
根据电路的拓补结构,常见的DC/DC变换电路主要有非隔离型电路、隔离型电路等。
*非隔离型电路(无变压器)
非隔离型电路即各种直流斩波电路,根据电路形式的不同可以分为降压型电路、升压型电路、升降压电路、库克式斩波电路和全桥式斩波电路。其中降压式和升压式斩波电路是基本形式,升降压式和库克式是它们的组合,而全桥式则属于降压式类型。下面重点介绍斩波电路的工作原理、升压及降压斩波电路。
*隔离型电路(有变压器)
在非隔离型电路中加入变压器,将输入输出电路电气分离就可构成隔离型电路。
正激电路与反激电路之分,其特性与运用场合各有不同。
反激式:适用于200W以下的小功率供电,而小功率电子产品,在日常应用较为普及。开关管截止时,向次级输送能量,电路简单、元件数量较少、成本相对较低、输出电路中虽然用到滤波电感,但要求却不高(一般采用定值取值,而不必进行计算)。
正激式:开关管导通时传输能量,适合于200W以上的供电电路。它的高频变压器传输效率高于反激式,可使变压器体积更小、输出纹波较反激式小,但要计算滤波电感的参数,正激式的缺点:开关损耗大于反激式、噪声大于反激式、元件数目比反激式多。200W以上的电子产品在日常使用较少,反激式适用于200W以下的小功率供电,而小功率电子产品,在日常应用较为普及,这也就是反激式用量多于正激式的原因
整体而言,开关电源的优点是功耗小、效率高(可以达到80~95%)、稳压范围宽、稳定可靠、因工作在相对高频,滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减少;缺点相对于线性电源来说成本较高、纹波较大,还可能带来难以克服的EMI问题。
3.低压电源设计
车载设备的电源主要取自电瓶12V/24V电源,以及通过逆变器而间接获得的220V交流电,由于是车载环境,在电源的使用上有其特殊性与局限性,因而在电源的选择上,提高电源效率是永恒原则,开关型直流稳压电源可满足对电源效率和安装体积有要求的地方,对于电磁干扰和电源纯净性有较高要求的地方多选用线性直流稳压电源,这是不得已的折中办法,必须根据具体要求,环境情况灵活运用。
在选择或设计一个电源之前,应当先充分了解和掌握不同性质的电源的性能特点,同时还需要预先清楚此电源所服务的都是些什么系统及设备,详细了解其对电源的要求和限制,对这些问题的掌握和透切了解,可大大降低成本和减少开发时间。
1、线性直流稳压电源在设计上,主要的技术措施是降低调整管的功耗。
1)控制输入输出电压差,通过设计选择合适的220V交流降压变压器的输出电压;
电路中要求提供较低电压的电源,如果功率也比较小,可通过稳压二极管等构成二次电源;
2)控制稳压源满负荷状态的输出功率,以降低总输出电流,必要时可将按并联方式供电的电子设备分作几部分,以便为其独立供电;
常用的线性串联型稳压电源芯片有:
* 78XX系列(正电压型),79XX系列(负电压型),(实际产品中,XX用数字表示,XX是多少,输出电压就是多少。例如7805,输出电压为5V),属于固定输出电压型;
* LM117/LM217/LM317(可调正电压型),LM137/LM237/LM337(可调负电压型)三端可调稳压器集成电路。