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過去幾年中,電子設備的生產數量和使用量顯著增加。一方面,信息存儲與電腦計算的使用成本正在大規模地降低,另一方面,電子設備愈加復雜的特點為人們帶來了更簡易的操作方法,電子元器件開始前所未有地入侵人們的生活。而技術的革新則讓污染重大的電子設備變得更加綠色環保,同時也為生活帶來更多好的可能性。“未來,能源的采集和電子設備的能源供應方式可能還會深入到細微的人體運動的層面。”全球著名的連接器產品供應商TE Connectivity的執行副總裁兼首席技術官Rob Shaddock與《第一財經周刊》分享了他的經驗。
C:目前全球技術領域的主要趨勢有哪些?
S:技術行業大的趨勢一直在持續,尤其是在電子方面,發展非常快,比如說綠色新能源的運用、物聯網的發展、海量數據的傳輸、工業自動化和基礎設施的升級。其中,隨著信息存儲的成本越來越低,電腦計算的成本越來越低,電子元器件成本也越來越低。這些成本的降低讓越來越多的人大量使用電子設備,當然,使用的方式也會越來越復雜。而隨著電子產品的復雜化,材料方面會有更多的創新。計算技術的發展可以讓材料使用更加準確,不論是性能還是使用量,計算機模擬設計可以把許多不必需的材料去掉。
C:你認為綠色能源目前在全球范圍內有哪些進展和革新?
S:高新能源的使用仍處于起步階段,當然,以后會有更多的創新。從目前看來,新形態的電池是每個人都希望的東西,但革新是很慢的。總體來講,清潔能源的廣泛使用仍然是一個比較長期的過程,其中,風能和太陽能的使用會比較多且有效。另一個值得一提的問題是能源的存儲,因為清潔能源的制取經常是非連續性且有波動性的,因此,其產生的電能的存儲量是清潔能源能否有效利用的關鍵所在。
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關鍵詞:電子設備;屏蔽結構;功能設計
隨著電子設備使用頻率越來越高,但電磁環境不斷惡化,為了發揮電子設備的性能,提升抗干擾能力,避免受到電磁的干擾,這對電子設備電磁屏蔽性能提出了更高的要求和標準。因此,本文結合實際情況,針對電子設備電磁屏蔽的結構設計展開論述,并且提出合理化建議。
1電子設備屏蔽設計標準
就目前而言,電子設備主要包括骨架、蓋板以及前后板等,其中可拆連接的接觸面具有一定的導電接觸,因此,在實際設計過程中,電子設備內部的孔洞、縫隙要滿足屏蔽的需要。在實際設計過程中,屏蔽設計要求不盡相同。對電屏蔽而言,可以利用良導體隔離經電容性耦合傳遞的影響。電磁屏蔽主要應用在高頻設計過程中,主要原理是利用金屬反射和金屬層內吸收來限制電磁的干擾,在實際設計過程中,具體包括以下要求:第一,要保證材料質量,因此,設計人員在進行電磁屏蔽分析過程中,會認為屏蔽體導體在理想運行狀態下運行,導致在實際應用中,屏蔽體具有阻性,并且隨著屏蔽體阻抗的增加,屏蔽的性能就會越差。因此,在屏蔽材料選擇過程中,要選擇性能良好的導體。對電屏蔽厚度而言,需要根據電子設備屏蔽結構進行設計,保證金屬殼體封閉性,最大限度的減少孔洞和縫隙,并且采取必要的防護措施。屏蔽體要做好接地設計,根據行業標準,接觸電阻要小于2m譆。在進行屏蔽電子設備運行過程中,影響屏蔽效能的因素主要包括以下幾個方面:第一,縫隙問題,在實際的屏蔽體中,導電體具有很多不連續點,就會在各個部分結合處,產生電磁泄漏問題,解決這種問題的方法,就是在縫隙的位置,填充一些彈性的導電材料,從根本上消除不導電點。但是在實際應用過程中,不是所有的屏蔽體的縫隙需要電磁密封襯墊防止電磁泄漏。因為對實際的設計而言,縫隙泄漏電磁波主要取決于電磁波波長的尺寸。如果遇到較高頻率干擾的情況下,需要使用電磁密封襯墊。第二,孔洞問題。在電子設備上,會包括很多開關、連接器以及保險絲等,設計人員需要在面板上,加工出相應的安裝孔,為了提升機箱的散熱效果,設計人員要在機箱上設置側板孔、抽氣扇進風孔等,對開孔的形狀和周長要滿足實際設計標準,在電子設備運行過程中,電流通過孔洞時,就會通過輻射的方式發射能量,并且與孔洞的大小周長有著密切聯系。
2縫隙電磁屏蔽設計
下面主要分析縫隙電磁屏蔽設計。2.1控制好螺釘的間距在實際設計過程中,螺釘具有重要的連接作用,并且間距會直接影響了屏蔽的效果。螺釘能夠有效縮小接件的縫隙,提升屏蔽的效果。但是一旦螺釘過密,就會增加設備安裝的難度,增加了工作量和設計成本。因此,設計人員要從全局出發,結合電子設備的強度,確定科學合理的螺釘間距,在實際設計過程中,縫隙設計間距e咬/20。2.2采用簧片屏蔽設計針對螺釘設計過密的情況,對需要經常拆卸的電子設備而言,還要從其它方面做好電磁屏蔽設計,在設備的兩個接觸面上,設置屏蔽簧片。其中EMI屏蔽簧片具有良好的導電性能,并且運行空間比較大,可以滿足不同屏蔽要求。這種簧片材料主要以鈹青銅、磷青銅為主,具有很強的耐磨性和耐壓性,在高溫的條件下,也能正常運行。2.3導電襯墊的屏蔽設計這種設計方式主要實現屏蔽體的電接觸,提升導電的連續性,有效的防止縫隙電出現泄露,具有良好的密封作用,就目前而言,通常主要包括以下兩種形式:第一,平面安裝式。就是在把襯墊的背面通過背膠把襯墊和屏蔽體連接起來,保證襯墊具有一定的壓力,其中典型的C型導電布襯的平面安裝模式得到了廣泛的應用。第二,溝槽安裝形式。在溝槽安裝形式中,就是把襯墊裝在溝槽中,可以利用D型導電布襯墊粘裝到溝槽中,從而保證面板側面之間的相互配合,提升襯墊的壓力,保證通電正常。2.4凸包屏蔽結構設計為了有效減少屏蔽體縫隙線性尺寸,設計人員可以結合實際情況,在屏蔽體設計凸包,并且應用在屏蔽區域內,從而形成一個彈性的變量,實現兩個屏蔽體之間有效的連接,采用這種設計模式,能夠有效減少螺釘的密度,節約設計材料,降低設計強度,具有很強的實用性。2.5深縫隙結構設計在采用深縫隙結構設計過程中,深度越深,屏蔽的效果就會越明顯,因此,設計人員要結合實際情況,不斷加深縫隙的深度,從而提升電子設備電磁干擾性。
3孔洞的電磁屏蔽設計
受到自身性能的影響,為了解決電子設備通風散熱和接線問題,在實際過程中,需要設置孔洞,從而降低了電子設備的屏蔽效果。下面就針對孔洞電磁屏蔽設計展開論述。3.1通風口電磁屏蔽設計3.1.1在電子設備通風口架設金屬絲網。在電子設備實際應用設計過程中,金屬絲網是比較常用的非實壁型屏蔽體,這種材料主要包括銅鋁等。電子設備通風口通常比較大,因此,可以采用鉬數較高的金屬絲網安裝在窗口的位置,設計人員要把窗口分成細小的通風口,從而獲得良好的屏蔽效果。對金屬絲網可以直接焊接在屏蔽體上,保證金屬絲與屏蔽體具有良好的電接觸,但是在實際裝配過程中,要做好金屬絲網的保護,提升屏蔽的效果。3.1.2在屏蔽體上開通風孔。在實際過程中,裝配金屬網在設計過程中,很容易出現一些屏蔽的缺陷,很容易出現接觸不良或者斷絲的情況,針對這些問題,可以在屏蔽體設置風孔,從而優化設計工藝流程。在實際應用過程中,設計人員可以采用圓形結構,避免采用異型孔,從而增加設計難度。3.1.3介質波導通風蜂窩板屏蔽體應用。設計人員在設計屏蔽要求很高設備過程中,為了提升通風效果和抗電磁屏蔽效果,在實際設計過程中,可以采用波導通風蜂窩板屏蔽體,就可以有效減少空氣阻力,降低風壓損失,提升機械強度,發揮電子設備良好的性能。3.2穿心電容與屏蔽罩的應用在電子設備設計過程中,需要設計人員做好開關、表頭、指示燈等的設計,明確設計標準。為了有效防止在開口處形成電磁泄露,可以在點在設備元件后,裝置屏蔽罩,加裝穿心電容,并且傳過屏蔽罩,連接元件,同時要保證屏蔽罩與面板良好的接觸性能,實現電磁屏蔽。3.3屏蔽窗設計對指示器、監視器等,設計人員可以結合實際情況,設計導電玻璃,然后連接到面板,對高頻電磁屏蔽結構,可以使用金屬夾絲層的導電玻璃。
4結束語
綜上所述,在進行電子設備屏蔽結構設計過程中,設計人員要結合實際屏蔽要求,采用合適的設計方式,針對設計不同的情況,選擇合理的材料,從而提高設備抗電磁干擾性,獲得良好的屏蔽效果,發揮電子設備的重要作用。
參考文獻
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1.1電磁的兼容性
在頻譜資源、時間和空間有限的情況下,各電子系統和設備能夠互不干擾的狀態稱之為電磁兼容性。要對電子產品的質量進行衡量,電磁兼容性是一個重要的指標。要通過電磁兼容性來消除和控制電磁干擾,使電子系統和設備在一起工作時不會降低和惡化任何部分的工作性能。
1.2電磁干擾的來源
電磁干擾的形式包括電磁場干擾、電感性(磁場)干擾、電容性(電場)干擾,必須詳細了解電磁干擾的來源。煤礦井下的電磁干擾主要有兩方面的來源,外部干擾源帶來的干擾是其中一種。設備外部的電源和線路會對設備造成電磁干擾,表現在以下五個方面:第一,電力機車的接觸網造成的電磁干擾。電力車的軌道鋼軌是接觸網的地線,其直接與巷道中的巖石接觸。這也造成了巖層中流入了大量的雜散電流,形成交變分量的電磁干擾。這一類型的電磁干擾不僅具有電力電纜電磁干擾的特性,而且還具有隨機脈沖特性。第二,煤礦井下電力電纜帶來的干擾。由于在電力電纜中突然接入了大功率的設備,造成了電壓的波動,從而形成高次分量的頻譜,形成電磁干擾,這一類型的電子干擾具有起伏性、周期性和脈沖的特點。第三,環境溫度造成的電磁干擾。設備內部的一些元件對溫度比較敏感,溫度的變化會使其參數發生改變,進而對其他原因造成干擾。第四,變頻裝置和外部大功率設備造成的電磁耦合效應產生的電磁干擾。第五,外部電源漏電造成的電磁干擾。
2電磁干擾的傳播形式
2.1直接傳導
通過導線能夠將電磁干擾從干擾源傳遞給電子設備。在煤礦井下如果電子設備和干擾源具有電氣聯系或者共用一個電源,就會出現直接傳導。
2.2輻射傳播
當電磁干擾源具有較高的頻率時,而擾的電子設備與電磁干擾的波長相比較大時,或者干擾對象和電磁干擾源之間的距離r≥λ/2π,就會以干擾源為輻射場向外輻射電磁。這樣一來,電子設備中的敏感元件就會受到電磁波的能量。一些具有天線效應的控制線和輸電線路能夠接收空間中的電磁輻射能,一旦超過了電子設備的電磁兼容性,就會影響電子設備的工作。
2.3感應耦合
當電磁干擾源較低的頻率時,而且擾的電子設備的幾何尺寸與電磁干擾波長相比相對較小,或者擾設備與電磁干擾源之間的距離r≤λ/2π,就可以將電磁干擾源視為感應場或者似穩場。此時其對電子設備的影響主要是通過電子感應的方式來傳播電子干擾,包括電感性耦合、電容性耦合和共阻抗耦合等。與輻射傳播不同的是,能量通過感應耦合的方式傳輸時,隨著傳輸距離越來越遠,能量也會加速衰減。與此同時,感應耦合的傳播方式具有很強的方向性。
3煤礦井下電子設備電磁干擾的預防措施
3.1控制干擾源
3.1.1在電路設計時對干擾源進行控制。以開關電源為例,電源能夠產生強大的電磁干擾,其原因在于切換放過性質的電壓電流還出現了較大的諧波電流和電壓。這就需要保障開關電源的可靠性和穩定性,做好開關電源的電路設計工作,盡可能地削弱或抑制電磁干擾的產生。要盡量避免90°折線的電路布線,并且使用負反饋電路。要對模擬電路PCB布線和數字電路進行正確的分區,特別是提高對相鄰線之間的信號的信距和間距的重視,以避免出現串擾的現象。要使用小電流電路與大電流電路的單點接地,從而減小共組干擾。與此同時,還可以將輸出整流回路包圍的面積減小。
3.1.2控制電磁干擾源傳播的能量。可以通過超導線圈耦合電容或者降低干擾源的電壓來降低干擾信號的電壓,從而實現控制電磁干擾源傳播的能量。與此同時,也可以使用分流的方法對其進行控制,例如分散場分布降低強場、使用加接分流回線的布置來削弱回路面積較大、線路引線較長的耦合干擾。
3.2控制電磁干擾的傳播途徑
3.2.1濾波。通過濾波能夠限制干擾信號,使有用信號能夠順利通過,對電子設備進行保護。濾波能夠有效地消除干擾耦合、抑制干擾源。例如將濾波器安裝在直流電源的輸出端,就可以將脈沖頻率中極高的部分吸收掉。按照原理可以將濾波器分為吸收式和反射式兩類,吸收式濾波器在煤礦井下用的比較廣泛,其主要組成部分是鐵氧體材料制成的有耗器件,能夠吸收阻帶內的噪音,消除電磁干擾。
3.2.2屏蔽。屏蔽主要是用來應對輻射耦合感應的電磁干擾,能夠將輻射來的電磁波切斷,隔離屏蔽體內外的“場”。如果擾設備和干擾源之間的距離≤λ/2π則為近場,反之則為遠場。電磁干擾主要集中在遠場,要選擇良好的金屬導體作為屏蔽材料,選擇導磁性較好的材料作為屏蔽低頻磁場的材料,選擇較薄的良導體作為屏蔽高頻磁場的材料。如果需要同時對磁場和電場進行屏蔽,就要選擇對較小的良導體材料。要以材料吸收電磁波的性能為依據,選擇合適的屏蔽材料厚度。要保障屏蔽外殼的完整性最好能夠使用防爆外殼。然而煤礦井下使用的防爆外殼具有一定的孔縫,降低了屏蔽的效果。為了減小泄漏,可以在孔縫中加入金屬絲網或導電襯墊。
3.2.3接地。接地指的是地下或者接入作為參考的電路的某一點,因此稱為懸浮地。常見的接地形式有混合接地、多點接地和單點接地,被接地的對象主要是機殼接地、功率接地和弱信號接地。單點接地適用于低頻電路,高頻電路則應該使用多點接地或者擴大地下面積,盡量使用粗短的引線并且就近接地。
3.3增強電子設備的抗干擾性能
電子設備的抗干擾能力能夠通過屏蔽、接地等方式得到提升,與此同時也可以使用光電耦合實現分離,從而增強電子設備的抗干擾性。在進行電子設備的電路設計時要考慮到電子設備干擾性的問題。
4結語
關于車載電子設備,一般概念是指不涉及車輛控制與行車安全(諸如行駛系電子控制系統、安全系電子控制系統、傳動系電子控制系統等等)的電子設備,是在汽車環境下能夠獨立使用的電子裝置,他和汽車本身的性能并無直接關系,因而其大致可分為兩類,一類是包括汽車信息系統、導航系統、音響系統及電視娛樂系統等等,是屬于一般性的車輛輔助設備,另一類則是為執行特殊任務及工程任務的專用設備。對于這類車載電子設備,一般則有兩種供電方式:一種是直接取用車上12V或24V車載電瓶,另一種是通過采用逆變器將電瓶電源轉換為220V的交流電源,間接獲得電源。然而這些方式下的設備總功率必將受到一定的限制,因此電源的效率是設計的重點,尤其是大規模集成電路以及數字電路的設備上的廣泛應用,需要5V、3.3V以下的電源。
2.電源效率
2.1 逆變電源
由于是車載環境,設備的總功率受到限制,因此,對于采用220V的交流電作電源的設備,為了獲得220V的交流電,工頻逆變器則是關鍵部件,大多數是直接采用專業的單相逆變器,可提供比較大的輸出功率,穩定的電壓,諧波干擾小,負載能力強,有較高的電源效率。高端逆變器是純正弦波電壓輸出,國外名牌產品尤其是歐美產品,效率都很高,可達到90%以上,而歐洲的標準是97.2%,但價格也昂貴,而國內產品則大都在90%以下,稍次點的是準正弦波逆變器,電源效率也很高,但電源諧波干擾相對較大,對要求高精度的設備不利,而方波逆變器則因為三次諧波較強而引起電磁污染嚴重,而且負載能力差,僅是額定負載的40~60%。概括來說,純正弦波逆變器通過高質量的交流電,可驅動任意負載,但其技術要求及成本很高。而準正弦波逆變器,可以滿足大部分的設備需求,價格適中,也是目前市場的主流產品,方波逆變器則技術含量低,效率不高而逐漸沒有了市場。
2.2低壓電源
低電壓的直流穩壓源,是大多數的電子裝置及設備所必需的。就目前的技術,直流穩壓電路中最常見的、應用最廣的有線性穩壓電源和開關穩壓電源,它們各自都有一定的特點及適用范圍。
2.2.1 線性穩壓電源
直流線性穩壓電源就其工作原理,簡單地說,就是一個用等效的可變電阻器與負載串聯或并聯,通過控制可變電阻器發揮其分壓或分流作用,使負載端電壓保持恒定。
因此這類電源有一個共同的特點就是它的輸出電壓比輸入電壓低,其調整管工作在線性區,調整管與負載或串聯或并聯,通過改變調整管壓降來穩定輸出,屬于降壓型的穩壓器。
此類電源優點是穩定性高,紋波小,可靠性高、元件最少、輸出噪聲最小、靜態電流最小,價格也便宜。但是缺點也很突出,效率低,因調整管工作在放大狀態,以致穩壓器上的壓降越大、負載電流越大,功耗就越大,效率更低。
2.2.2 開關型穩壓電源
與線性電源相比,開關電源是運用“斬波”技術這一更為高效的工作方式。其核心是DC/DC變換電路,也稱直流斬波電路。是一項能量(功率)控制技術,運用電感、電容的儲能特性,通過可控開關的通斷時程,間斷地將輸入的電能儲存在電容(感)里,然后再釋放給負載,從而提供合適的電能給負載。其輸出的功率或電壓的能力與占空比(由開關導通時間與整個開關的周期的比值)有關。
DC/DC變換電路就是將輸入的直流電壓變換成固定的或可調的輸出直流電壓。主要控制方式為脈沖寬度調制(PWM)控制,DC/DC變換電路廣泛應用于開關電源。
根據電路的拓補結構,常見的DC/DC變換電路主要有非隔離型電路、隔離型電路等。
*非隔離型電路(無變壓器)
非隔離型電路即各種直流斬波電路,根據電路形式的不同可以分為降壓型電路、升壓型電路、升降壓電路、庫克式斬波電路和全橋式斬波電路。其中降壓式和升壓式斬波電路是基本形式,升降壓式和庫克式是它們的組合,而全橋式則屬于降壓式類型。下面重點介紹斬波電路的工作原理、升壓及降壓斬波電路。
*隔離型電路(有變壓器)
在非隔離型電路中加入變壓器,將輸入輸出電路電氣分離就可構成隔離型電路。
正激電路與反激電路之分,其特性與運用場合各有不同。
反激式:適用于200W以下的小功率供電,而小功率電子產品,在日常應用較為普及。開關管截止時,向次級輸送能量,電路簡單、元件數量較少、成本相對較低、輸出電路中雖然用到濾波電感,但要求卻不高(一般采用定值取值,而不必進行計算)。
正激式:開關管導通時傳輸能量,適合于200W以上的供電電路。它的高頻變壓器傳輸效率高于反激式,可使變壓器體積更小、輸出紋波較反激式小,但要計算濾波電感的參數,正激式的缺點:開關損耗大于反激式、噪聲大于反激式、元件數目比反激式多。200W以上的電子產品在日常使用較少,反激式適用于200W以下的小功率供電,而小功率電子產品,在日常應用較為普及,這也就是反激式用量多于正激式的原因
整體而言,開關電源的優點是功耗小、效率高(可以達到80~95%)、穩壓范圍寬、穩定可靠、因工作在相對高頻,濾波的效率大為提高,使濾波電容的容量和體積大為減少;缺點相對于線性電源來說成本較高、紋波較大,還可能帶來難以克服的EMI問題。
3.低壓電源設計
車載設備的電源主要取自電瓶12V/24V電源,以及通過逆變器而間接獲得的220V交流電,由于是車載環境,在電源的使用上有其特殊性與局限性,因而在電源的選擇上,提高電源效率是永恒原則,開關型直流穩壓電源可滿足對電源效率和安裝體積有要求的地方,對于電磁干擾和電源純凈性有較高要求的地方多選用線性直流穩壓電源,這是不得已的折中辦法,必須根據具體要求,環境情況靈活運用。
在選擇或設計一個電源之前,應當先充分了解和掌握不同性質的電源的性能特點,同時還需要預先清楚此電源所服務的都是些什么系統及設備,詳細了解其對電源的要求和限制,對這些問題的掌握和透切了解,可大大降低成本和減少開發時間。
1、線性直流穩壓電源在設計上,主要的技術措施是降低調整管的功耗。
1)控制輸入輸出電壓差,通過設計選擇合適的220V交流降壓變壓器的輸出電壓;
電路中要求提供較低電壓的電源,如果功率也比較小,可通過穩壓二極管等構成二次電源;
2)控制穩壓源滿負荷狀態的輸出功率,以降低總輸出電流,必要時可將按并聯方式供電的電子設備分作幾部分,以便為其獨立供電;
常用的線性串聯型穩壓電源芯片有:
* 78XX系列(正電壓型),79XX系列(負電壓型),(實際產品中,XX用數字表示,XX是多少,輸出電壓就是多少。例如7805,輸出電壓為5V),屬于固定輸出電壓型;
* LM117/LM217/LM317(可調正電壓型),LM137/LM237/LM337(可調負電壓型)三端可調穩壓器集成電路。