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风冷模块电源机箱外壳屏蔽应用研究

2024-09-04 5 上传者：管理员

摘要：风冷模块电源机箱外壳是产品电磁屏蔽的重要组成部分，外壳电磁屏蔽能效的好坏对整个设备的电磁兼容性能也有重要意义。为此，风冷模块电源机箱外壳，在设计阶段就应全面考虑屏蔽问题，减少电磁干扰、电磁辐射。本文主要从机箱外壳材质、外壳结构形式以及外壳通风开孔设计等方面进行逐一分析，提出设计建议，为同类电气产品外壳屏蔽设计提供设计思路和方法。

关键词：
机箱外壳
模块电源
电子设备
电磁场
通风孔
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随着科技不断发展，电子设备的种类、数量日益增多，其要求也越来越高，特别是在性能方面。在日趋复杂的使用环境中，风冷结构形式的模块电源已成为不可缺少的电子设备。风冷模块电源是为了适应通风、功率器件散热等要求，在其外壳上开有通风孔，但外壳的完整性受到一定程度的破坏。由于电子设备结构形式、安装空间有限，因此电子设备工作过程中会受到不同程度的干扰，这些干扰有的是来自设备内部，有的来自其他电子设备（主要途径是通过机箱外壳的缝隙、通风孔，耦合到其他电子设备的内部）。为解决这一难题，在模块电源机箱外壳的结构设计时必须考虑屏蔽的问题。

1、风冷模块电源机箱外壳材料的选择

风冷模块电源在满足其器件通风、散热的基础上，如何减小或防止受到其他电子设备的电磁干扰，也为防止自身干扰到其他的电子设备。首先要正确选择模块电源外壳的材料，在选择前，要了解电磁屏蔽的相关知识（常见材料的特性参数见表1），以便精准选材，缩短产品开发周期。电磁屏蔽常用的方法是运用金属网、板、盖等屏蔽体来阻挡或者减小电磁波能量传播所采取的结构手段（包括：静电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽）。因此，结构设计工程师在做风冷机箱的电磁兼容设计时，须根据产品所提出的抗干扰要求进行有针对性的对风冷机箱外壳（屏蔽体）进行设计。

表1 常见材料的特性参数

机箱外壳的屏蔽效能一般用屏蔽系数或屏蔽衰减来表示：即在某一空间区域内，当有机箱外壳体存在时其场强为E0（或H0），当无机箱外壳体存在时其场强为E（或H),E/E0或H/H0被称为屏蔽系数。机箱外壳体屏蔽系数越小，其屏蔽效果就越好。机箱外壳体的屏蔽效能也可用屏蔽衰减来表示，屏蔽衰减代表干扰场强通过屏蔽体受到的衰减值。若用于电磁兼容目的，机箱外壳体通常能将电磁波的强度衰减到原来的百分之一至百万分之一。分贝（d B）表示屏蔽效能，屏蔽效能的定义公式如下：

从上述公式可知，屏蔽衰减值越大，屏蔽效果就越好，不过上述公式只能测得屏蔽材料的屏蔽效能，却没法确定使用何种材料作机箱外壳体（屏蔽体）。想知道选用何种材料来制作屏蔽体，则需了解、学习材料其他参数是否与材料的屏蔽效能有关。在实际产品结构设计应用中，下面的公式更能反应出屏蔽效能与材料的厚度、材料的磁导率、材料的电导率以及环境中信号频率的关系：

式中，A指屏蔽材料的吸收损耗；R指屏蔽材料反射损耗。A是电磁波在屏蔽材料中传播时发生的，公式如下：

式中，t指屏蔽材料的厚度；μr屏蔽材料的磁导率；σr指屏蔽材料的电导率；f指被屏蔽电磁波的频率。

R是电磁波射到不同媒质的分界面时发生的，公式如下（Zw为电磁波的波阻抗；Zs为屏蔽材料的特性阻抗）：

综上，机箱外壳材料通常选用镀锌冷轧钢板，其屏蔽效能较大、抗腐蚀能力较好，成本较低。选用合金材料，虽然有更好的屏蔽效能，超强的抗腐蚀能力，但成本较高。

2、风冷模块电源机箱外壳结构形式

众所周知，没有缝隙、没有开孔，完全密闭的金属壳体是最理想的屏蔽机箱外壳的结构形式。但任何电子设备，包括风冷模块电源，为满足产品的功能需求，模块电源内部与外部有信号传输、电缆连接等与外界进行交互，因此机箱外壳都必须要预留装配接缝（缝隙）、散热通风孔和安装各种按钮、接头、显示屏、设备电源线、信号线的引出孔等，这些孔隙都会产生电磁波能量泄漏，使机箱外壳的屏蔽效能大大降低。一款好的机箱结构形式至关重要，它可以降低电子设备电磁波泄漏，提高产品的可靠性。下面介绍一种风冷模块电源的机箱外壳结构形式。

如图1所示的风冷模块电源机箱外壳，可拆分为四个部分：机箱前面板、机箱后板、机箱主壳、机箱上盖。机箱前、后板、机箱上盖在设计时一定要折弯翻边，目的是保证在与机箱主壳装配时，有足够的接触宽度、接触面积，根据总结的经验，建议其折弯边宽度一定要大于10mm。机箱主壳体则可采用直接成型或焊接拼装的方式，以保证机箱左、右侧面、底面的连续性（在条件允许时，机箱后板也可与机箱主壳体焊接在一起，减少搭接带来的缝隙）。

按照上述方法设计制造出来的机箱，能有效地减少风冷机箱外壳结构的装配接缝，虽然装配时不可避免的会产生一定的缝隙，但只要工艺根据设计要求作相应处理，那么整个风冷机箱外壳的屏蔽效能也会有很好的改善。

图1 机箱壳体结构示意图

当风冷机箱中缝隙的直线尺寸小于λ/10时，风冷机箱外壳的屏蔽效果和缝隙的传输损耗息息相关，其传输损耗越大，屏蔽效果越好。缝隙的传输损耗公式如下：

式中，t指缝隙深度，g指缝隙长度。

结合上述公式，在不能避免接缝的情况下，常规手段是增加缝隙深度，从而提高传输损耗，增加其屏蔽效果。当然，亦可以采用缩短风冷机箱外壳装配螺钉的间距，或者在缝隙接触处使用导电涂料（比如：导电脂、导电胶等），或者在装配接缝处加装导电衬垫、屏蔽弹簧片等方法。其目的都是为了改善金属壳体接缝处的电接触，减少缝隙接触处的电磁泄漏从而提高风冷机箱的屏蔽效能。针对风冷机箱外壳装配时的缝隙，可从以下几方面着手处理：

(1）增加缝隙处两零件的配合、搭接的宽度，比如：盖板与机箱主壳的配合宽度，如图2所示。

(2）控制风冷机箱外壳中，零件装配间搭接表面的粗糙度建议在1.6左右为宜。

图2 零件间搭接示意图

(3）风冷机箱主壳体与盖板（前、后板）做表面处理时，搭接面严禁做非导电处理，若箱外壳材料为铝合金材质时，对其搭接处必须进行导电氧化处理，而不能去做硫酸阳极氧化处理。

(4）控制机箱主壳体与盖板（前、后板）间固定螺钉的间距，对要求较高的电磁场环境安装间距最好控制在30mm～40mm。通常，在不加导电衬垫时，螺钉安装间距应小于最高工作频率的1%，或不能大于λ/20。

(5）电磁屏蔽要求更高的情况下，则需在各零件搭接面之间安装导电屏蔽衬垫。此时需要注意的是，如果导电橡胶衬垫用在铝金属表面时，应考虑避开或者减少电化腐蚀作用；特别要注意若用纯银填料的橡胶或蒙乃尔线性衬垫，将会出现严重的电化腐蚀现象，效果适得其反。

3、风冷模块电源机箱外壳通风开孔设计

通过时域有限差分法的学习，风冷机箱外壳某区域内通风孔孔面积相同的情况下，圆孔的屏蔽效果最好，其次是方孔，长方形孔最差。若通风孔区域开孔总面积相同，则较小的多孔阵列通风孔的屏蔽效能明显优于较大的通风孔，矩形孔阵通风孔的屏蔽效能低于方形孔阵和圆形孔阵。同时，相同大小、形状的孔阵，均匀分布比非均匀分布的屏蔽效能要高。因此在风冷模块电源机箱外壳上，需尽可能减少不必要的开孔，也尽可能不要增加额外的装配缝隙，同时还要避免开细长孔、开大圆孔。在不得不开通风孔的时候，应采用较小的多孔均匀分布阵列的方式开孔。通风孔开孔的形状、大小可以参照表2进行设计，能够满足绝大多数产品散热的需要，且屏蔽效能也能控制在10d B/GHz～30d B/GHz之间。

表2 常用通风孔屏蔽效能

如果风冷机箱外壳的结构形式受到限制，其通风孔需要开大，而又必须满足相应的电磁兼容设计时，可以采用下列措施来进行电磁屏蔽处理。

(1）在需要开通风孔的位置安装金属丝网，其结构形式有以下两种方式：

1）将金属丝网点焊在通风孔位置。优点是金属网和主体之间有非常好的电性能接触，缺点是金属网易变形，变形后则不容易更换，且焊接过程中也极易破坏零件周围表面的保护层。

2）将金属丝网用螺钉把圆环形的压圈压在通风孔位置。优点是灵活、方便维护，缺点是电性能接触性较差。但要注意，在用螺钉压装环形压圈前，需要把配合面上的绝缘层、氧化层、油垢等不导电的物质除去，同时应安装足够数量的螺钉，以便增加电性能接触的连续性。

(2）采用小开孔的金属板作为通风孔：用多个小孔（设计经验值小孔直径建议为3mm）代替大口径的通风孔，也可以直接在风冷机箱主壳体上开设多个均匀阵列的小孔，单独制成穿孔金属板安装到风冷机箱主壳体上的通风位置。在风冷机箱主壳体上直接开设小孔，其优点在于风冷机箱主体性能稳定，结构与工艺均简单，且成本低等。

(3）安装截止波导式通风窗的方式：比如电子产品要求在高频及以上，需要具备较高的屏蔽性能，产品的通风要求不能减少，这时就可以安装截止波导式通风孔板（比如：蜂窝状通风孔板等）。其优点是机械强度高，能适用的频段更宽，微波段依旧有较高的屏蔽性能，对空气流动的阻力小、风压损失少。

4、结语

机箱外壳屏蔽设计在风冷模块电源设备系统设计中是不可忽略的环节，其设计制造的好坏直接影响到模块电源设备工作的可靠性和稳定性，以及是否能够满足产品高品质要求。风冷机箱外壳结构设计，涉及到机箱外壳材料的选择、机箱缝隙、搭接的结构形式，以及如何设计通风开孔等，这些问题与电气设计相辅相成，缺一不可，采取有效的方式方法，可提升设备的稳定性与持久性。

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文章来源:李文斌,李小明.风冷模块电源机箱外壳屏蔽应用研究[J].家电维修,2024,(09):3-5.