电子设备电磁兼容与热设计的协同设计

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1、电子设备电磁兼容与热设计的协同设计 西安电子科技大学 硕士学位论文 姓名：呼波 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：朱敏波 20090101 摘要 当今电子设备设计中，热设计与电磁兼容的冲突越来越激烈，通过仿真可以使产品的测试前移，即融合到研发过程中，在设备投入生产之前就发现并解决问题，减小修改设计的成本。为了准确快速地研究电子设备的热性能与电磁兼容特性，就需要建立合适的仿真模型，共享数据，反馈信息，不断修改，这就是协同设计的基本设计理念。 本文从结构设计、数值理论分析、热分析、电磁兼容测试等方面对协同设计在热与电磁兼容领域的应用进行了研究。论文首先对某非密闭电子机箱进行了热分

2、析仿真建模，利用正交试验法分析了影响温度的诸多因素，找出关键因素；然后，按照电磁兼容测试要求，简化模型，通过设置发射源，接收天线测出屏蔽效能；最后在温度指标达标的情况下，通过屏效的测试来不断修改相关因素参数，设计实验对比分析，最终找出一种既能符合热设计标准又能使屏蔽效果得到最佳的方案。 本文成功应用了协同设计思想，并结合实例，找出热与电磁兼容的协同点，并在电磁兼容模型的建立中参考简化模型准则，利用与软件进行分析，提出了对协同设计思想在该领域应用的一些补充和展望。 关键词：热设计电磁兼容设计协同设计 萨锄锄 锄仃， ，朋硼、，觚 觚鼬嬲昀锄龃蠡蜘， 佗，姗撕如砌 ，盟 弘，删锄 ， 锄，印，廿锄

3、锄，硼，彘 虹玲，戗母蝴盟啦：；， ；，饥 朗 印锄锄 臼萨坝锄觚“”，矗，翎：锄 ，印，锄弘：衄够（） 西安电子科技大学 学位论文独创性（或创新性）声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期！丑兰：兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权

4、的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密的论文在解密后遵守此规定） 本人签名：选邀 导师签名：日期迸兰：！日期 第一章绪论 第一章绪论 引言 在当今的电子设备中，热设计与电磁兼容设计之间的冲突越来越激烈。芯片工业的趋势是频率越来越高、集成度越来越大、体积越来越小，则芯片的功率密度就越大，这

5、将给产品设计带来巨大的挑战。另外，电子设备必须通过相应的电磁兼容标准（）认证。虽然的设计中电磁辐射通常要求尽可能最小，但是电磁兼容问题要想完全在设计范围内解决几乎是不可能的。机箱内的电缆上带有共模电流，结构上的通风孔、焊缝、插槽等，如果尺度与波长相近，都会引发电磁兼容问题。 在热设计中，通风孔仅使用开口率描述压力损失。而在电磁兼容设计中，通风孔的直径和厚度对屏蔽效能有很大影响。热设计与电磁兼容设计有冲突，对于热设计来说，开口率越大越好，而电磁兼容设计正好相反，开口率为零最佳。在相同开口率下，孔径越小屏蔽性能越好。因此需要综合考虑热与电磁兼容两方面的问题，才能得到优化结果【。 国内外研究发展现状

6、 电子设备热设计的国内外研究发展现状 自年人们研究变压器的冷却开始，热设计作为实现技术之一就伴随着电力电子技术的进步而不断发展。从真空管、行波管到晶体管，从移动电话、服务器到巨型计算机，设计制造商都不得不面对其产品的冷却问题。 年代中期，国外开始了对电子产品的过热问题进行了研究，发展了电子设备的热设计技术（热模拟、热控制、热测试）【】。进入年代，为了适应高性能大型电子冷却的要求，电子设备热设计技术得到了迅速的发展。这些技术的发展是电子设备可靠性的必要途径。我国军方和美国军方都将电子设备可靠性热设计手册列入国家军用标准【】。 以往，人们对整机热测试都是在后期用实验的方法进行检测的，这种周期过长而

7、且成本偏高的检测方式已不再能适应当今热设计的需要，在电子设备开发过程中进行热模拟的热分析软件应运而生了，在缩短了开发周期的同时，给整机的温控提供了可靠的技术保证。用于电子设备的热分析方法主要有解析法和数值法，大多数热分析软件都采 用数值法。热分析软件在求解温度分布时考虑了很多因素。例如：元件的几何因素，分布状态，导热材料的传热系数及周围环境条件等，可以高效高速的应用在产品的热分析热设计中。 在我国电子设备热设计领域主要是利用计算流体动力学（）和传热学来进行的。相对来说，国外的热分析软件的开发和应用趋于成熟，在工业应用当中具有广泛的应用；国内某些科研院所也开展了这方面的工作，并开发了功能较强的热

8、分析软件。 电子设备电磁兼容国内外研究发展现状 电磁兼容是通过控制电磁干扰来实现的，因此，电磁兼容技术是在认识电磁干扰，研究电磁干扰和对抗电磁干扰的过程中发展起来的。电磁干扰问题由来已久。世纪末、世纪初就开始了对电磁干扰的研究，特别是世纪以来，随着通信、广播等无线电技术的发展，电磁干扰问题日渐突出，为了解决干扰问题，保证电子设备及系统可靠性，年代提出了电磁兼容概念，开始了较为系统的电磁兼容研究，使电磁干扰问题由单纯排除干扰逐步发展成为从理论上、技术上全面确保电子设备在所处电磁环境中正常工作的系统工程。此后，从理论上对电磁干扰进行了全面的分析，分清了干扰性质，研究了干扰产生及耦合机理，提出了抑制

9、干扰的措施，制定了电磁兼容标准与规范，建立了电磁兼容试验和测量体系，解决了电磁兼容的一系列理论和技术问题。年代，随着高速和大容量计算机的出现，开始了电磁兼容预测技术的研究，即在电子设备和系统的设计阶段，利用计算机及编制的相应软件预测可能存在的电磁干扰问题，分析问题的原因及可能的解决方法并不断修正，以致在图纸上即可基本达到电磁兼容要求。此时的预测技术还极不成熟。年代以来，现代电子技术向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集成度、高可靠性方向发展，其应用范围越来越广，渗透到了整个社会的每个角落。因而发达国家在电磁兼容研究方面投入了大量的人力物力，形成了电磁兼容热【】。而大规模集成电路的出现把人类带

10、入了信息时代，近年来信息高速公路和高速计算机技术成为人类社会生产和生活的主导技术。 如今，电磁兼容已经成为一门十分活跃的学科，在电磁兼容规范与标准、分析、预测、测量以及管理等方面均达到了较高水平，出现了一些商业化的软件及测试设备，形成了一套较完整的电磁兼容设计体系【。以电磁兼容预测技术为例，美国在研究过程中，调集了上百家大学和研究所来开发数学模型，为今后电磁兼容预测技术的应用和发展奠定了良好的基础。随着计算机速度和存储容量的飞速发展，使些由于受计算速度和存储容量限制而未能广泛应用的数值计算方法，如时域有限差分法、矩量法、有限元法等，焕发了活力，并随之出现了多种分析 第一章绪论 计算电磁兼容特性

11、的软件。目前美国电磁兼容预测技术已发展到了实际应用阶段，但还仅为美国的航空、航天和尖端武器等不多的高精尖产品中采用，并取得了良好的效果。如美国的休斯公司和波音公司都拥用各自的电磁兼容预测软件，但出于技术保密的原因，并未向外推出这些软件。目前美国已向外公开推出的电磁兼容预测软件有（系统内电磁兼容分析程序）和（系统间电磁兼容分析程序）【。 我国对电磁兼容理论和技术的研究起步较晚。年代逐步开始组织系统的研究并制订国家级和行业级电磁兼容性标准和规范，到目前已制定了多个国家标准和国家军用标准。年代以来，随着国民经济和高科技产业的迅速发展，电磁兼容要求越来越高，我国更加重视电磁兼容技术，投入大量人力物力建

12、立了一批电磁兼容试验测试中心，在部分高科技产品设计制造过程中应用了技术，如卫星设计、舰船制造等。 同时，信息载体朝着电子化发展，计算机、通信设备作为信息载体，机密信息可以通过设备泄漏的电磁波辐射出去，也可能通过信号线或电源线以传导的方式耦合出去。在一定距离内，通过接收设备即可收到机密设备所发射的机密信息。为了防止电磁泄漏，保证信息安全，出现了一项维护信息安全的技术，称为防电磁泄漏技术（锄仃辨锄）。它的任务是检测、评价和控制来自机要信息设备的非功能传导发射和辐射发射，以防止被窃听泄密。 协同设计国内外研究发展现状 近年来的协同设计技术的研究重点主要是利用网络技术，改进工程项目中相关人员的协同工作

13、。国外已有多名学者基于设计对象的数据模型，从不同角度对协同设计进行了研究。锄等分析了协同设计的具体需求，并提出了基于设计对象和约束元对象的协同设计模型，解决了关于设计结果满足约束条件的自动检查问题和设计变更的自动传递问题【。（等针对设计约束条件随时间的变化，提出了约束版本的概念，以解决设计对象的版本管理问题】。等结合一个改造工程项目，提出了“作者读者”过程模型来解决设计过程中的冲突协调问题【】。等结合具体工程项目介绍了多媒体以及网格技术在协同设计中的应用【。孤则对协同设计进行了深入的剖析，指出了在相关论文中经常交替使用的两个词“协同（）”与“协作（）”实际上程度有所不同，区别在于，前者一般富于

14、目的性、配合关系更加密切；还指出，目前工程设计的实际过程中，设计人员之间较多地是协作，而不是协同、另外，已经出现了一些支持网格协同设计的商业化软件【。例如，公司提出了项目协同工作的解决 方案。但是，他是基于文件信息共享来实现工程项目设计过程中各参与方之间的协同工作，而且是一个通用系统，并非专门为工程项目的网格协同设计所开发。 在国内，何发智等利用协作支持工具软件也改造系统，将人机交互式的系统转变为网络环境下支持人人交互的原型系统【。段玉聪利用数据库系统开发了分布式协同工作环境下的设计系统 【”】。但迄今为止，还没有专门针对工程项目协同设计信息化管理系统的研究。目前已经有一些商品化软件用来支持工

15、程项目的协同设计，也是基于设计文件信息的。例如，中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所与北京建设信源咨询有限公司联合开发了就是基于设计文件信息共享的信息管理平台，其中包含了设计档案管理、日常办公等多项功能。 而针对协同设计的具体应用领域的研究工作却并不多，本课题关于电磁兼容与热设计的协同设计国内外所做研究就更少了。国外有篇耐公司撕璐等用该公司产品和软件对机所进行的分析【，国内有篇同样出自栅公司员工的关于电子设备热与电磁兼容协同设计的文章【】，也是处于商业目的介绍软件如何使用。还有找到相关学位论文仅三篇提到了电磁兼容与热设计，但是都没有一个有实例介绍协同设计思想到底如何在该领域应用，也没有过针对协

16、同设计流程提出改进方案，这也是本文所做工作的出发点。 协同设计的研究意义 在热设计与电磁兼容协同设计方面，也是近代才发展起来，且热设计的仿真起步比电磁兼容起步较早，所以在共享数据平台上一直存在很大困难，目前国际上仅有英国的和软件是相对较好的协同设计平台。热设计早已进入仿真时代 元器件及级的热密度趋势从年到年，增长了倍，到年还将增长倍。统计表明，自年代初到世纪初的年间，电子整机设备的热密度（单位体积内的热耗）提高了倍，到年还将以每年的速度增长。 目前，国外许多公司己经开发出了电子设备热分析软件，大多己商品化。例如，美国髓公司的软件、英国伽喇公司的廿软件、美国 公司开发的软件等。我国一些研究机构和实力雄厚的大型企业相继购买了国外热分析软件，其中印（和姗这两个专业的热分析软件在电子设备辅助设计的热设计领域中占据了很大的市场。为了适应快速增加的热密度 第一章绪论 要求，早在十多年前，国外的企业就纷纷用上了彻软件，至今已经普及到电子设备的各个应用领域。在年以前，国内用仿真软件进行热设计的企业可谓风毛麟角，但自华为、联想抓住时机率先引入锄软件后，热设计在国内蓬勃发展，至今已拥有相当规模的用户群。 在设计