工控機箱的EMC設計與防護

當我們使用電子設備的時候，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，如果手機放在電視機旁邊，在來電時手機信號會干擾電視信號形成雪花片。而隨著日常電子設備的廣泛使用，電子設備的EMC設計正變得日益重要起來。

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

下面我們來解釋一個優(yōu)秀的工控機如何進行EMC設計的。

無論工控機還是商用機，EMC設計中的最首先考慮的是板卡本身的EMI（電磁干擾）設計，因此在板卡設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方面的設計無法充分滿足EMC認證的要求。因此工控機機箱的EMC設計變得更為重要了。這篇文章也以機箱的EMC設計為主。

在解釋工控機機箱的EMC設計之前，我們先來看看商用PC機機箱的EMC設計，商用PC機由于應用在家庭環(huán)境中，與人體接觸的時間更長，因此對EMC設計的要求也十分嚴格。

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證。但由于用途的不同，商用PC通過的EMC認證和工控機的EMC認證側重點是不同的。商用PC的EMC認證更偏向PC機本身對人體的輻射量的考慮，所以在用料和機箱設計上都基于這個方面考慮的。而工控機的應用環(huán)境較為復雜，EMC認證涉及的范圍也更為廣泛，除了考慮工控機的電磁輻射干擾外，防止外界的各種因素對工控機內(nèi)部設備造成的干擾也是一個EMC設計要點。

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

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、外接擴展設備的因素。無論商用PC還是工控機，都無法做到嚴格密封的狀態(tài)。機箱關于防止電磁泄漏設計很重要的一點就是關于散熱和電磁泄漏之間的良好平衡性設計，既要充分散熱，也需要兼顧到電磁兼容方面的設計，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計標準對散熱孔徑的大小，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、機箱接縫處的EMC設計

根據(jù)理論，當機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。因此在機箱接縫處的設計，也是考察EMC設計功底的一個重要指標。
現(xiàn)在商用PC機的機箱鋼板厚度僅為0.6mm，鋼板的強度有限，難以保證機箱本身受力后不產(chǎn)生形變，并且由于現(xiàn)在商用PC基本多是立式機箱，因此側開口的面板也難以保證接縫處的緊密結合，為了克服這些現(xiàn)象，一些高檔商用PC在機箱的接縫處留有EMI彈片設計。

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

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

3、機箱表面的特殊設計

商用PC機箱材料多采用鍍鋅鋼板，并考慮吸收機箱內(nèi)輻射的有效性，在機箱內(nèi)部沒有進行噴漆處理，因此機箱內(nèi)壁的鍍鋅鋼板是可以導電的，也更容易吸收電磁輻射，這也使得商用PC機在靜電防護、電磁屏蔽方面有著先天的優(yōu)勢。商用PC的這種機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、工控機在某些時候要用在有強烈腐蝕性的環(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烈的腐蝕性。因此機箱內(nèi)外表面都必須要做抗腐蝕處理。下圖為研華工控機在機箱外表面和機箱內(nèi)壁進行防腐蝕烤漆處理后的機箱。

其次、有時計算機會在振動的環(huán)境下工作，在某些特殊的情況下，振動會導致機箱內(nèi)的某些電器元件接觸到機箱內(nèi)部表面，由于機箱內(nèi)壁導電，所以很容易造成短路，燒毀設備。

而工控機在內(nèi)部的噴漆處理使得機箱內(nèi)壁不導電，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，正是因為這些不導電的機箱內(nèi)壁對工控機的EMC設計有著更高的挑戰(zhàn)。工控機由于內(nèi)壁也進行了烤漆處理，因此機箱表面不導電，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，形成導電體，在整個機箱表面形成等勢體，處理工藝較為復雜。