工控機(jī)箱的EMC設(shè)計(jì)與防護(hù)

當(dāng)我們使用電子設(shè)備的時(shí)候，就會形成電磁干擾。EMC（Electromagnetic compatibility電磁兼容性）現(xiàn)象在我們生活中隨處可見。例如我們在看電視的時(shí)候，如果手機(jī)放在電視機(jī)旁邊，在來電時(shí)手機(jī)信號會干擾電視信號形成雪花片。而隨著日常電子設(shè)備的廣泛使用，電子設(shè)備的EMC設(shè)計(jì)正變得日益重要起來。

世界大多數(shù)發(fā)達(dá)國家都制定了EMC標(biāo)準(zhǔn)，銷往該國家或地區(qū)的電子產(chǎn)品必須要符合相應(yīng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)，并通過其認(rèn)證才可以。其中比較知名的認(rèn)證有美國的FCC認(rèn)證、日本的VCCI認(rèn)證、歐盟的CE認(rèn)證，以及我們中國大陸的3C認(rèn)證等。

下面我們來解釋一個(gè)優(yōu)秀的工控機(jī)如何進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)的。

無論工控機(jī)還是商用機(jī)，EMC設(shè)計(jì)中的最首先考慮的是板卡本身的EMI（電磁干擾）設(shè)計(jì)，因此在板卡設(shè)計(jì)方面就大幅減少了電磁輻射，但由于處理器的頻率的提升，單純依靠板卡本身在EMI方面的設(shè)計(jì)無法充分滿足EMC認(rèn)證的要求。因此工控機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計(jì)變得更為重要了。這篇文章也以機(jī)箱的EMC設(shè)計(jì)為主。

在解釋工控機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計(jì)之前，我們先來看看商用PC機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計(jì)，商用PC機(jī)由于應(yīng)用在家庭環(huán)境中，與人體接觸的時(shí)間更長，因此對EMC設(shè)計(jì)的要求也十分嚴(yán)格。

雖大多數(shù)著名PC品牌由于行銷全球，也通過了各國的電磁兼容認(rèn)證。但由于用途的不同，商用PC通過的EMC認(rèn)證和工控機(jī)的EMC認(rèn)證側(cè)重點(diǎn)是不同的。商用PC的EMC認(rèn)證更偏向PC機(jī)本身對人體的輻射量的考慮，所以在用料和機(jī)箱設(shè)計(jì)上都基于這個(gè)方面考慮的。而工控機(jī)的應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，EMC認(rèn)證涉及的范圍也更為廣泛，除了考慮工控機(jī)的電磁輻射干擾外，防止外界的各種因素對工控機(jī)內(nèi)部設(shè)備造成的干擾也是一個(gè)EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

簡而言之，商用PC的EMC設(shè)計(jì)是對內(nèi)的，而工控機(jī)的EMC設(shè)計(jì)則是雙向的。

下面我們通過和商用PC的對比，來闡述對內(nèi)和雙向的區(qū)別：

1、散熱口的EMC設(shè)計(jì)

首先我們明確一個(gè)概念，無論對內(nèi)還是對外，對付電磁輻射最好的方法就是用一個(gè)全密封的金屬盒子把電磁輻射體遮蔽起來，而且屏蔽用的金屬層越厚越好。這樣無論對內(nèi)還是對外，電磁屏蔽的效果都最好。但是由于散熱、外接擴(kuò)展設(shè)備的因素。無論商用PC還是工控機(jī)，都無法做到嚴(yán)格密封的狀態(tài)。機(jī)箱關(guān)于防止電磁泄漏設(shè)計(jì)很重要的一點(diǎn)就是關(guān)于散熱和電磁泄漏之間的良好平衡性設(shè)計(jì)，既要充分散熱，也需要兼顧到電磁兼容方面的設(shè)計(jì)，我們通常在商用PC上所見到的，是上面這樣的散熱孔徑，圓形而多孔。

但實(shí)際上防止電磁泄漏的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對散熱孔徑的大小，以及形狀是有諸多限制的，研究實(shí)驗(yàn)表明，方形孔徑要比圓形孔徑具有更出色的防止電磁泄漏效果。

2、機(jī)箱接縫處的EMC設(shè)計(jì)

根據(jù)理論，當(dāng)機(jī)箱上兩個(gè)接觸點(diǎn)之間的距離大于0.25xλ（波長符號）時(shí)，兩點(diǎn)之間就會很容易泄漏出有害的電磁輻射。因此在機(jī)箱接縫處的設(shè)計(jì)，也是考察EMC設(shè)計(jì)功底的一個(gè)重要指標(biāo)。
現(xiàn)在商用PC機(jī)的機(jī)箱鋼板厚度僅為0.6mm，鋼板的強(qiáng)度有限，難以保證機(jī)箱本身受力后不產(chǎn)生形變，并且由于現(xiàn)在商用PC基本多是立式機(jī)箱，因此側(cè)開口的面板也難以保證接縫處的緊密結(jié)合，為了克服這些現(xiàn)象，一些高檔商用PC在機(jī)箱的接縫處留有EMI彈片設(shè)計(jì)。

但工控機(jī)的使用環(huán)境復(fù)雜多變，某些環(huán)境是具有較強(qiáng)的振動(dòng)性的，采用EMI彈片設(shè)計(jì)容易在振動(dòng)的環(huán)境下失去彈片的彈性。工控機(jī)采用的機(jī)箱材料為1.2mm的優(yōu)質(zhì)鋼板，本身具有優(yōu)秀的抗形變特性，由于工控機(jī)機(jī)箱多為臥式的，頂部鋼板自身的重量和鋼材特性已經(jīng)能夠保證機(jī)箱壁之間的嚴(yán)密接觸。優(yōu)秀的工控機(jī)機(jī)箱在不采用EMI彈片的時(shí)候也完全可以通過CE，F(xiàn)CC等EMC認(rèn)證。如果某些對電磁兼容極為嚴(yán)格的環(huán)境，例如軍工行業(yè)，我們會推薦客戶在機(jī)箱接縫處使用更為可靠的金屬導(dǎo)電布。

在板卡和機(jī)箱的接縫處，這個(gè)地方也是極其容易引起電磁泄漏的地方，商用PC由于擴(kuò)展卡較少，很少有品牌在這個(gè)地方采用EMI彈片設(shè)計(jì)。而工控機(jī)內(nèi)部會插入多塊板卡，板卡和機(jī)箱的接觸嚴(yán)密與否是電磁兼容是否優(yōu)秀的一個(gè)重要指標(biāo)，因此做工優(yōu)良的工控機(jī)會采用EMI彈片確保板卡和機(jī)箱之間的接縫緊密可靠。

3、機(jī)箱表面的特殊設(shè)計(jì)

商用PC機(jī)箱材料多采用鍍鋅鋼板，并考慮吸收機(jī)箱內(nèi)輻射的有效性，在機(jī)箱內(nèi)部沒有進(jìn)行噴漆處理，因此機(jī)箱內(nèi)壁的鍍鋅鋼板是可以導(dǎo)電的，也更容易吸收電磁輻射，這也使得商用PC機(jī)在靜電防護(hù)、電磁屏蔽方面有著先天的優(yōu)勢。商用PC的這種機(jī)箱在普通使用下沒有問題，但是如果用于工控環(huán)境則是十分不合適的。

首先、工控機(jī)在某些時(shí)候要用在有強(qiáng)烈腐蝕性的環(huán)境下，例如海上的海鹽、高速公路上排出的汽車尾氣、化工廠的氣體都具有強(qiáng)烈的腐蝕性。因此機(jī)箱內(nèi)外表面都必須要做抗腐蝕處理。下圖為研華工控機(jī)在機(jī)箱外表面和機(jī)箱內(nèi)壁進(jìn)行防腐蝕烤漆處理后的機(jī)箱。

其次、有時(shí)計(jì)算機(jī)會在振動(dòng)的環(huán)境下工作，在某些特殊的情況下，振動(dòng)會導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)的某些電器元件接觸到機(jī)箱內(nèi)部表面，由于機(jī)箱內(nèi)壁導(dǎo)電，所以很容易造成短路，燒毀設(shè)備。

而工控機(jī)在內(nèi)部的噴漆處理使得機(jī)箱內(nèi)壁不導(dǎo)電，可以杜絕這類現(xiàn)象的發(fā)生。但是正所謂成也蕭何、敗也蕭何，正是因?yàn)檫@些不導(dǎo)電的機(jī)箱內(nèi)壁對工控機(jī)的EMC設(shè)計(jì)有著更高的挑戰(zhàn)。工控機(jī)由于內(nèi)壁也進(jìn)行了烤漆處理，因此機(jī)箱表面不導(dǎo)電，無法象商用PC一樣形成等地體，因此只得在部分位置處留出沒有噴漆的接觸面，形成導(dǎo)電體，在整個(gè)機(jī)箱表面形成等勢體，處理工藝較為復(fù)雜。