電子產品整機結構設計簡介

電子產品的設計通常包括電路設計和結構設計。電路設計就是根據產品的功能要求和技術條件，確定總體方案并設計原理框圖，并在此基礎上進行必要的計算和試驗，終確定詳細電路設計圖紙并選定元器件及其參數。結構設計則是根據電路設計提供的資料和數據，結合電子產品的性能要求、技術條件等，合理布置元器件、使之組成部件或電路單元，同時進行機械設計和防護設計，將各零部件或電路單元互連，給出齊套的技術圖紙。

設計和制造電子產品，除滿足工作性能的要求外，還必須滿足加工制造的要求，電路性能指標的實現，要通過具體的產品結構體現出來。電子產品是隨著電子技術的發(fā)展而發(fā)展的，其結構和構成形式也隨之發(fā)生變化。初期的電子產品功能比較簡單，設計考慮的主要問題是電路設計。到20世紀40年代后，隨著電子產品功能越來越多，出現了將復雜產品分為若干部件、樹立結構級別的先進想法；為防止氣候影響，研制出密封外殼；為防止機械過載而研制出減振器，產品結構功能進一步完善，此時，結構設計才正式成為電子產品設計的內容。隨后，由于產品向高集成度和小型化方向發(fā)展，尤其是出于軍用電子技術的發(fā)展和野戰(zhàn)的需要，散熱、抗電磁干擾、防潮、防霉菌、防鹽霧開始成為結構設計中必須考慮的內容，結構設計的內容也因此逐步豐富起來。目前，結構設計在電子產品的設計中占有較大的比重，直接關系到電子產品的性能和技術指標（條件）的實現。

電子產品的整機結構是指電子產品中由工程材料按合理的方式進行連接，能夠安裝電子元器件及機械零部件，使產品成為一個整體的基礎結構。這種結構包括機箱機架和機柜結構、分機插箱、底座和積木盒結構、導向定位裝置、面板、指示和操控裝置等。

電子產品結構設計的目的是解決產品的結構形態(tài)如何與產品的功能相統(tǒng)一、與使用要求相統(tǒng)一、與由電子產品組成的工作環(huán)境和生活環(huán)境相統(tǒng)一，并適合人的生理和心理特性等，以滿足用戶的要求。

二、電子產品整機結構設計的內容

電子設備結構設計和生產工藝的任務就是以結構設計為手段，保證所設計的電子設備在既定的工作環(huán)境條件和使用要求下，達到技術條件所規(guī)定的各項指標，并能穩(wěn)定可靠地完成預期功能，即保證電子設備的可靠性。

根據產品的技術指標和使用條件，整機結構設計應包括以下幾方面內容：

（1）總體方案設計

具體包括：

①分機或單元的劃分與總體布局。

②各分機或單元的技術指標分配。

③可靠性分析與設計。

④環(huán)境條件分析和使用要求分析。

⑤可維修性的結構考慮和機電連接考慮。

⑥機箱、機柜的統(tǒng)一性設計、造型設計及確定主要尺寸。

（2）分機或單元結構設計

具體包括：

①元器件、零部件排列和布線，印制電路板設計。

②電磁兼容設計。

③元器件散熱及機械傳動系統(tǒng)的布置等。

④各分機或單元之間的協(xié)調性設計。

（3）整機防護設計

具體包括：

①散熱系統(tǒng)的設計。

②減振緩沖系統(tǒng)的設計。

③三防（防潮、防霉、防鹽霧）措施的選擇和設計等。

④防護設計不僅應在整機設計中考慮，在分機和單元結構設計中也應考慮。

（4）典型機械結構件設計

具體包括：

①根據技術要求和所選定的結構形式確定整機或分機（插箱）的機架、底座和面板結構。

②進行剛強度分析或計算，周密地考慮可維修性及其設計，進行造型、色彩設計。

③各種附件設計等。

④人機工程設計，以便于安裝、調試和操作、維護。

（5）機電連接設計

具體包括：

①分機或單元之間、整機與外部設備及電源之間、分機與天線之間的機電連接形式和安排。

②連接元器件的選擇。由于連接元器件對保證產品正常工作有重要的作用，因此在整機結構設計時，必須做到連接可靠，不引入干擾，裝卸方便。

（6）整機布線設計

具體包括：

①根據不同類型的整機電路結構及其組合設計的特點，從整機接口出發(fā)，按單向性布線的原則，合理完成接口、印制板組裝件、母板、面板元器件及部件之間的導線布線、走線路徑與連接關系設計。

②確保導線束的綁扎、輻射、彎曲、分支及其焊接及加固所需的空間、面積、距離與間隙。

③形成“整機導線走線圖”和“導線接點表”，保證整機導線及導線束的走線與安裝。

三、電子產品整機結構設計的基本原則

電子產品的整機結構設計是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要考慮的要素很多，不僅要考慮單一要素設計的合理性，更要考慮各種設計要素的整體性。有些情況下，不同要素的設計要求甚至是相互矛盾的，這就要求根據產品的總體性能要求采用折中設計方法。

電子產品的整機結構設計一般應遵循以下基本原則：

（1）保證產品技術指標的實現

電子產品的性能體現為產品的技術指標，實現這些技術指標是研制與生產的終目標。要實現產品性能指標，一方面依賴于電路設計，另一方面則依靠整機結構設計。在有些情況下，某些技術指標（與電路無關的）必須依賴于整機結構設計來解決。技術指標的實現應以電子產品的總體技術指標為主，不應盲目追求個別指標的先進性，給設計、制造工作帶來額外困難。

（2）保證產品可靠性指標的實現

可靠性是電子產品的一項重要指標。電子產品的可靠性包括元器件可靠性和整機（或系統(tǒng)）可靠性兩個方面。整機（或系統(tǒng)）可靠性是建立在元器件可靠性基礎上的。為了提高產品可靠性，在整機結構設計時，要注意整機電路系統(tǒng)的可靠性和整機機械結構的可靠性。在結構設計時，應進行載荷和應力分析，充分估計工作時的惡劣情況，精心設計和試驗驗證，這樣可靠性才有保障。

（3）保證產品使用要求的實現

電子產品的終價值體現是滿足使用要求。因此在整機結構設計時，必須保證產品滿足使用要求。一般來說，使用要求包括產品的體積、質量、產品的可維修性和產品的操縱控制性能等，具體要求如下：

①盡量做到體積小、質量輕。對于一些需要在對空間位置和產品質量有嚴格要求的場合下使用的產品，減小其體積和質量具有重要意義。減小產品的體積和質量還可以節(jié)約材料，有利于加工和運輸；載荷產品質量輕，結構緊湊，可以減小慣性，降低能耗。軍用電子產品的體積和質量越小，其機動性越高，越能充分發(fā)揮其作用。因此，在整機結構設計時，必須合理布局，提高其組裝密度，選用小型化元器件和輕質材料，并盡量簡化結構，大限度地利用空間，以減少其體積和質量。

②盡可能提高電子產品的可維修性。提高可維修性可以縮短維修時間，減少維修費用，延長產品無故障工作時間，充分發(fā)揮產品的作用，這對于軍用產品更為重要。因此在整機結構設計時，要采取各種措施，如采用模塊化結構和快速拆卸結構等，以便在發(fā)生故障時能迅速處理。

③充分考慮人機工程學。設計出符合人的生理、心理特點的結構，使操作者感到方便、靈活、安全，從而更好地發(fā)揮人和機器的效能。如在使用電子產品時，一般都要通過控制器（各種旋鈕、開關等）和顯示器（圖像顯示、讀數、指示等）來進行操縱和控制。對此，在整機結構設計時，要合理安排，使其符合人的生理特點，做到簡便、合理、可靠，符合人的操作習慣。

（4）保證產品具有良好的工藝性

設計工藝性是產品設計工作中的一項重要因素，它直接決定了產品的可制造性，是采用經濟、合理和可靠的方法制造產品的基礎。隨著自動化生產設備的應用和智能制造技術的發(fā)展，可制造性設計的作用越來越重要。在設計電子產品時，要從實際生產出發(fā)，使所設計的零件、組件、部件具有良好的工藝性，整機有良好的裝配工藝性。只有對新材料生產情況和新工藝發(fā)展情況及加工設備和工藝水平有較全面的了解，才有可能設計出具有良好工藝性的產品。

（5）通用化、系列化、模塊化

在整機結構設計中，采用模塊化結構可以提高標準化程度。模塊化就是把一些通用性、重復性較大的單元，用成熟的電路和結構形式固定下來，使之通用化、系列化。在設計整機產品時，通過使用這些通用化、系列化組件、單元，或稍加修改補充即可構成新產品，可以縮短設計和試制周期，減少重復勞動，使設備結構緊湊、操作維修方便，提高生產效率和產品質量。模塊化是一種新的設計方法，模塊化設計是按照標準化原理和系統(tǒng)工程原理及方法，采用頂層分析與底層需求相結合的設計方法，是一個自上而下的過程，合理劃分模塊、建立模塊體系是其設計的關鍵。實踐證明，采用模塊設計方法能顯著縮短研制周期，降低研制成本，提高產品的可靠性和可維修性。

（6）采用先進的設計技術

現代電子產品結構總體設計時需要進行大量的分析計算、數據處理、圖形處理、模擬試驗與計算機仿真。傳統(tǒng)的設計技術不能滿足要求，這就需要在設計上采用先進的設計技術，如CAD（計算機輔助設計）、EDA（電子設計自動化）、MDA（機械設計自動化）等技術，對產品的電路和結構進行優(yōu)化設計，盡量簡化產品結構，大限度地利用空間，減小產品的體積。

四、電子產品整機結構設計的順序及要求

整機結構牽涉面廣，要解決的矛盾多，很難遵循一套標準的設計流程，一般只能采用邊分析邊設計、邊設計邊調整，前后呼應，多方照顧與協(xié)調的設計流程（即反復迭代的設計模式）。

（1）分機或單元劃分

首先，根據產品的電路原理圖和方框圖，將產品劃分為幾個分機，若產品較簡單也可劃分為幾個單元或部分。在劃分分機（或單元）時，一般應注意以下要求：

①各分機（或單元）在電路上應具有一定的獨立性，以便于單獨裝配、調整和檢驗。

②高頻和低頻、高壓和低壓、輸入和輸出應盡可能分開，電源系統(tǒng)建議劃分成獨立分機（或單元）。

③需要統(tǒng)調的元器件和統(tǒng)調機構應放在一個分機（或單元）內，同一功能的控制部分和相關的顯示部分一般劃在同一個分機（或單元）內。

④各分機（或單元）所使用（劃分）的元器件和零件、組件、部件，其體積、尺寸應能為分機（或單元）所容納，以便采用統(tǒng)一尺寸的插箱或模塊單元。

⑤各分機（或單元）輪廓尺寸應大體相近或相同。在劃分分機（或單元）時，電路設計人員和結構設計人員應密切配合，并取得一致意見，獲得方案。在這一過程中，應結合模塊化設計方法，盡量利用現有的成熟單元模塊。

（2）總體布局

在劃分分機（或單元）的基礎上進行總體布局?？傮w布局時，一般應注意以下要求：

①質量較大的分機（或單元）應放在產品（設備）的下部，力求降低產品（設備）重心。發(fā)熱量較大的分機（或單元）應放在產品（設備）的上部或便于散熱的部位，并遠離對熱敏感的元器件，分機（或單元）內的元器件的布局應有利于散熱。

②分機（或單元）的布局有利于各部分之間的電連接和布線，特別應避免電連接和布線而引起耦合和反饋，從而形成干擾。

③分機（或單元）的布局應有利于產品（設備）安裝、調試和維修，有利于操縱運用，并滿足安裝空間要求及使用人員的工作習慣。

（3）整機各部分主要尺寸確定

在總體布局方案大致確定后，即可確定整機各部分主要尺寸，即確定各分機（或單元）的輪廓尺寸和整機總體尺寸。在確定這些尺寸時，一般要求盡可能做到通用化、系列化，并盡可能選用統(tǒng)一尺寸的插箱或模塊單元。

（4）整機防護措施的選擇和設計

在整機總體尺寸和各分機（或單元）主要尺寸確定后，總體設計師就可以進行整機防護措施的選擇和設計了。整機防護設計包括整機散熱設計、隔振緩沖設計、電磁兼容設計和“三防”設計等。具體設計要求如下：

①整機散熱設計：在進行具體的設計前，應首先根據產品的功率、組裝密度、工作環(huán)境溫度和產品所允許的溫升（或工作溫度）等選擇適合的散熱形式。在保證產品正常升溫的條件下，散熱系統(tǒng)要求簡單可靠，系統(tǒng)本身所消耗的功率要小，工作時不會或很少給產品帶來附加的振動和噪聲等。

②隔振緩沖設計：主要是根據機械環(huán)境條件確定相應的隔振緩沖措施并布置減振器。

③電磁兼容設計：主要是進行屏蔽設計和采取其他防干擾措施，合理布局布線及合理設計饋線和接地。

④“三防”設計：主要是根據工作環(huán)境條件合理選擇“三防”材料和防護手段（包括結構防護、工藝防護等），其中主要是進行產品機箱的密封設計。

（5）整機機械結構設計

整機機械結構設計是具有總成性質的設計，它涉及的面很廣，要解決的矛盾也很多，其中有電氣和機械的矛盾、結構和工藝的矛盾、整體和局部的矛盾，甚至還有經濟上的考慮。

整機機械結構設計的具體內容包括：機箱／機柜設計、插箱／模塊單元設計、操縱控制和維修結構設計，以及緊固／聯(lián)接和其他附屬結構的設計。在整機機械結構設計時，必須綜合考慮各方面因素，綜合平衡妥善解決。

（6）整機機電連接設計

多箱式整機產品中，分機與分機、分機與整機的機電連接形式和質量，對于保證產品的可靠工作是很重要的環(huán)節(jié)。一般說來，在保證使用要求的前提下，應盡量減少連接點，因為連接點過多會使整機的可靠性降低。整機機電連接設計關鍵在于合理確定連接形式和選擇連接件。

在整機結構設計時，首先要選定連接形式，然后考慮整機走線，并確定連接點位置和連接件的型號、尺寸。整機機電連接可分為電氣連接和機械連接。

①電氣連接：電氣連接包括兩種方式：一是電纜連接；二是接插件連接。電纜連接的質量較高，工作可靠，分機抽出后電路仍然接通，便于帶電測試檢修；接插件連接的結構較簡單，機箱（機柜）緊湊，但可靠性較低。

②機械連接：機械連接包括緊固、導向和定位位置。在整機結構設計時，要選定連接結構的形式和尺寸，做到連接可靠、裝卸方便。

（7）試驗驗證及完善設計

完成上述整個過程后，通常會制作出一臺樣機產品，樣機制成后，必須對整機進行電的和結構的模擬試驗或實地使用檢驗。通常的做法是對樣機進行例行試驗，按照技術指標的要求進行逐項試驗或綜合試驗，通過試驗暴露結構設計中的薄弱環(huán)節(jié)和問題，分析其原因，并有針對性地進行修改，使設計趨于完善，達到設計定型要求。
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