工控機(jī)箱的EMC設(shè)計與防護(hù)

當(dāng)我們使用電子設(shè)備的時候，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候，如果手機(jī)放在電視機(jī)旁邊，在來電時手機(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優(yōu)秀的工控機(jī)如何進(jìn)行EMC設(shè)計的。

無論工控機(jī)還是商用機(jī)，EMC設(shè)計中的最首先考慮的是板卡本身的EMI（電磁干擾）設(shè)計，因此在板卡設(shè)計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)計變得更為重要了。這篇文章也以機(jī)箱的EMC設(shè)計為主。

在解釋工控機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計之前，我們先來看看商用PC機(jī)機(jī)箱的EMC設(shè)計，商用PC機(jī)由于應(yīng)用在家庭環(huán)境中，與人體接觸的時間更長，因此對EMC設(shè)計的要求也十分嚴(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)計上都基于這個方面考慮的。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EMC設(shè)計要點。

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

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

首先我們明確一個概念，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)計很重要的一點就是關(guān)于散熱和電磁泄漏之間的良好平衡性設(shè)計，既要充分散熱，也需要兼顧到電磁兼容方面的設(shè)計，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。

但實際上防止電磁泄漏的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對散熱孔徑的大小，以及形狀是有諸多限制的，研究實驗表明，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

根據(jù)理論，當(dāng)機(jī)箱上兩個接觸點之間的距離大于0.25xλ（波長符號）時，兩點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，也是考察EMC設(shè)計功底的一個重要指標(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。

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)的振動性的，采用EMI彈片設(shè)計容易在振動的環(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，很少有品牌在這個地方采用EMI彈片設(shè)計。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

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、有時計算機(jī)會在振動的環(huán)境下工作，在某些特殊的情況下，振動會導(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，正是因為這些不導(dǎo)電的機(jī)箱內(nèi)壁對工控機(jī)的EMC設(shè)計有著更高的挑戰(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，在整個機(jī)箱表面形成等勢體，處理工藝較為復(fù)雜。