工控机箱的EMC设计与防护

当我们使用电子设备的时候，就会形成电磁干扰。EMC（Electromagnetic compatibility电磁兼容性）现象在我们生活中随处可见。例如我们在看电视的时候，如果手机放在电视机旁边，在来电时手机信号会干扰电视信号形成雪花片。而随着日常电子设备的广泛使用，电子设备的EMC设计正变得日益重要起来。
        世界大多数发达国家都制定了EMC标准，销往该国家或地区的电子产品必须要符合相应的EMC标准，并通过其认证才可以。其中比较知名的认证有美国的FCC认证、日本的VCCI认证、欧盟的CE认证，以及我们中国大陆的3C认证等。
   
         下面我们来解释一个优秀的工控机如何进行EMC设计的。
         无论工控机还是商用机，EMC设计中的最首先考虑的是板卡本身的EMI（电磁干扰）设计，因此在板卡设计方面就大幅减少了电磁辐射，但由于处理器的频率的提升，单纯依靠板卡本身在EMI方面的设计无法充分满足EMC认证的要求。因此工控机机箱的EMC设计变得更为重要了。这篇文章也以机箱的EMC设计为主。
         在解释工控机机箱的EMC设计之前，我们先来看看商用PC机机箱的EMC设计，商用PC机由于应用在家庭环境中，与人体接触的时间更长，因此对EMC设计的要求也十分严格。
         虽大多数着名PC品牌由于行销全球，也通过了各国的电磁兼容认证。但由于用途的不同，商用PC通过的EMC认证和工控机的EMC认证侧重点是不同的。商用PC的EMC认证更偏向PC机本身对人体的辐射量的考虑，所以在用料和机箱设计上都基于这个方面考虑的。而工控机的应用环境较为复杂，EMC认证涉及的范围也更为广泛，除了考虑工控机的电磁辐射干扰外，防止外界的各种因素对工控机内部设备造成的干扰也是一个EMC设计要点。
         简而言之，商用PC的EMC设计是对内的，而工控机的EMC设计则是双向的。
         下面我们通过和商用PC的对比，来阐述对内和双向的区别：
         1、散热口的EMC设计
         首先我们明确一个概念，无论对内还是对外，对付电磁辐射最好的方法就是用一个全密封的金属盒子把电磁辐射体遮蔽起来，而且屏蔽用的金属层越厚越好。这样无论对内还是对外，电磁屏蔽的效果都最好。但是由于散热、外接扩展设备的因素。无论商用PC还是工控机，都无法做到严格密封的状态。机箱关于防止电磁泄漏设计很重要的一点就是关于散热和电磁泄漏之间的良好平衡性设计，既要充分散热，也需要兼顾到电磁兼容方面的设计，我们通常在商用PC上所见到的，是上面这样的散热孔径，圆形而多孔。
   
         但实际上防止电磁泄漏的设计标准对散热孔径的大小，以及形状是有诸多限制的，研究实验表明，方形孔径要比圆形孔径具有更出色的防止电磁泄漏效果。
   
   
         2、机箱接缝处的EMC设计
         根据理论，当机箱上两个接触点之间的距离大于0.25xλ（波长符号）时，两点之间就会很容易泄漏出有害的电磁辐射。因此在机箱接缝处的设计，也是考察EMC设计功底的一个重要指标。
现在商用PC机的机箱钢板厚度仅为0.6mm，钢板的强度有限，难以保证机箱本身受力后不产生形变，并且由于现在商用PC基本多是立式机箱，因此侧开口的面板也难以保证接缝处的紧密结合，为了克服这些现象，一些高档商用PC在机箱的接缝处留有EMI弹片设计。
         但工控机的使用环境复杂多变，某些环境是具有较强的振动性的，采用EMI弹片设计容易在振动的环境下失去弹片的弹性。工控机采用的机箱材料为1.2mm的优质钢板，本身具有优秀的抗形变特性，由于工控机机箱多为卧式的，顶部钢板自身的重量和钢材特性已经能够保证机箱壁之间的严密接触。优秀的工控机机箱在不采用EMI弹片的时候也完全可以通过CE，FCC等EMC认证。如果某些对电磁兼容极为严格的环境，例如军工行业，我们会推荐客户在机箱接缝处使用更为可靠的金属导电布。
   
         在板卡和机箱的接缝处，这个地方也是极其容易引起电磁泄漏的地方，商用PC由于扩展卡较少，很少有品牌在这个地方采用EMI弹片设计。而工控机内部会插入多块板卡，板卡和机箱的接触严密与否是电磁兼容是否优秀的一个重要指标，因此做工优良的工控机会采用EMI弹片确保板卡和机箱之间的接缝紧密可靠。
   
         3、机箱表面的特殊设计
         商用PC机箱材料多采用镀锌钢板，并考虑吸收机箱内辐射的有效性，在机箱内部没有进行喷漆处理，因此机箱内壁的镀锌钢板是可以导电的，也更容易吸收电磁辐射，这也使得商用PC机在静电防护、电磁屏蔽方面有着先天的优势。商用PC的这种机箱在普通使用下没有问题，但是如果用于工控环境则是十分不合适的。
         首先、工控机在某些时候要用在有强烈腐蚀性的环境下，例如海上的海盐、高速公路上排出的汽车尾气、化工厂的气体都具有强烈的腐蚀性。因此机箱内外表面都必须要做抗腐蚀处理。下图为研华工控机在机箱外表面和机箱内壁进行防腐蚀烤漆处理后的机箱。
   
         其次、有时计算机会在振动的环境下工作，在某些特殊的情况下，振动会导致机箱内的某些电器元件接触到机箱内部表面，由于机箱内壁导电，所以很容易造成短路，烧毁设备。
        而工控机在内部的喷漆处理使得机箱内壁不导电，可以杜绝这类现象的发生。但是正所谓成也萧何、败也萧何，正是因为这些不导电的机箱内壁对工控机的EMC设计有着更高的挑战。工控机由于内壁也进行了烤漆处理，因此机箱表面不导电，无法象商用PC一样形成等地体，因此只得在部分位置处留出没有喷漆的接触面，形成导电体，在整个机箱表面形成等势体，处理工艺较为复杂。