可靠性和抗干扰设计

1、可靠性和抗干扰设计小型智能电子产品设计和制作可靠性设计 可靠性定义及其定量描述 系统可靠性设计任务与方法 元器件级可靠性措施 部件及系统级的可靠性措施可靠性定义及其定量描述 可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 描述可靠性的定量指标： 1、可靠度 2、失效率 3、平均寿命各类产品常用的可靠性指标各类产品常用的可靠性指标使用条件连续使用一次使用可否修复可修复不可修复可修复不可修复维修种类预防维修事 后维修用到耗损期一定时间后报废预防维修 产品示例电子系统、计算机、通信机、雷达、飞机、生产设备家 用 电器 、 机械装置电子元器件、机械零件、一般消费品实 行 预 防维

2、 修 的 零部 件 、 广播 设 备 用电子管武器、过载荷继电器、救生器具保险丝、闪光灯雷管常用指示可靠度、有效度、平均无故障工作时间、平均修复时间平 均 无 故障 工 作 时间 、 有 效寿 命 、 有效度失效率、平均寿命失效率,更 换 寿命成功率成功率系统可靠性设计任务与方法 可靠性设计的任务内部：元器件本身的性能与可靠性 系统结构设计 安装与调试外部：电气条件外部：空间条件外部：机械条件 可靠性设计的一般方法 元器件级可靠性措施 部件及系统级的可靠性措施元器件级可靠性措施 严格管理元器件的购置、储运； 老化、筛选、测试 降额使用 选用集成度高的元器件部件及系统级的可靠性措施 冗余技术 电

3、磁兼容性设计 信息冗余技术 时间冗余技术 故障自动检测与诊断技术 软件可靠性技术 失效保险技术电磁兼容性设计概念 所谓电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility, EMC）是指电子装置在预定的工作环境条件下，既不受周围电磁场的影响，也不影响周围的环境，不发生性能变异或误动作，而按设计要求正常工作的能力。抗干扰设计 形成干扰的基本要素 干扰源与ESD 干扰的耦合方式 系统抗干扰设计的主要途经 单片机系统的几点抗干扰技术形成干扰的基本要素 干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源。 传播路径，指干扰从干扰源传播到

4、敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射。 敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC， 弱信号放大器等。常见干扰源雷电雷电脉冲电路脉冲电路ESD感性负载通断感性负载通断直流电机、变频调速器直流电机、变频调速器 电子消费类、数码产品中专门的静电阻抗器ESD（静电保护元件）：电压范围为24V，极间电容有2.5pf的，响应速度小于1ns，极低的漏电流，封装主要为0603和0402。工作原理是：在电器正常工作过程中，ESD只是表现为容值极低的(一般5pf)容抗特性，不会对正常的电器特性产生影响,且不会影响到电子产品的信号及数据传输；当器件两

5、端的过电压达到预定的崩溃电压时，迅速（纳秒级）做出反应，以几何级数的量放大极间漏电流通过，从而达到吸收、减弱静电对电路特性的干扰和影响。 注意：压敏电阻的电容高（最低都在100f以上），使它在很多情况下不能在信号传输线路中使用。电容和导线电感形成一个低通电路，会使信号极大地衰减。但频率大约在30kHz以下的衰减可以忽略不计。但是对于要求通过USB端口与计算机连接的大多数码产品来说，一旦连接端口的电容值大于5pf时，往往会引起数据传输出错或失败。 干扰的耦合方式 干扰的耦合方式：直接耦合、公共阻抗耦合、电容耦合、电磁感应耦合、辐射耦合、漏电偶耦合磁场耦合系统抗干扰设计的主要途经 精心选择元器件

6、元部件要精密调整 采用硬件抗干扰技术 采用软件抗干扰技术 1、数字滤波 2、信息传送过程的自动检测 3、系统运行状态监视与发生故障时的自动恢复抗干扰的措施 硬件抗干扰：1、屏蔽 2、隔离 3、滤波 4、接地 软件抗干扰：1、软件滤波 2、陷阱 3、看门狗硬件抗干扰的措施 屏蔽 屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。 电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。12431芯线；2绝缘体；3外层导线；4绝缘外皮 隔离 （光电、变压器

7、、继电器）1.光电隔离光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端之间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。由于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行直接耦合，而是借助于光作为媒介物进行耦合的，因而具有较强的隔离和抗干扰能力。在控制系统中，它既可以用作一般输入/输出的隔离，也可以代替脉冲变压器起线路隔离与脉冲放大作用。由于光电耦合器具有二极管、三极管的电气特性，使它能方便地组合成各种电路；又由于它靠光耦合传输信息，使它具有很强的抗电磁干扰的能力，因而在机电一体化产品中获得了极其广泛的应用。 2.变压器隔离对于交流信号的传输,一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件

8、，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度，也就是把模拟地和数字地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。当含有直流或低频干扰的交流信号从一次侧端输入时，根据变压器原理，二次侧输出的信号滤掉了直流干扰，且低频干扰信号幅值也被大大衰减，从而达到了抑制干扰的目的。 3.继电器隔离继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接收电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离（如下图所示）。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。弱电电路强电电路继电器 滤波滤波是抑制干扰传导的一种重

9、要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因而当接收器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。下图所示为计算机电源采用的一种LC低通滤波器的接线图。含有瞬间高频干扰的220V工频电源通过截止频率为50Hz的滤波器，其高频信号被衰减，只有50Hz的工频信号通过滤波器到达电源变压器，保证正常供电220V 图 (a)所示为开关触点抖动抑制电路，用于触点抖动所引起的干扰。图 (b)所示电路是交流信号抑制电路，主要用于抑制电感性负载在切断电源瞬间所产生的反电势。图 (c)所示电路是输入信号的阻容滤波电路，可作为直流电源的输入滤波器，也可作为模拟电路输入信号的阻容滤波器。

10、(a)(b)(c) 接地下图所示是并联一点接地方式。这种方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。并联一点接地电路1Ar3r2电路2电路3r1I1I2I3BC 多点接地多点接地所需地线较多，一般适用于低频信号。若电路工作频率较高，电感分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰。如下图所示，各接地点就近接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。多点接地电路1电路2电路3R1R2R3L1L2L3软件抗干扰的措施1.软件滤波用软件来识别有用信号和干扰信号并滤除干扰信号的方法称为软件滤波。识别

11、信号的原则有三种：（1）时间原则。 （2）空间原则。（3）属性原则。 2.软件“陷阱”从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使CPU偏离预定的程序指针，进入未使用的RAM区和ROM区，引起一些莫名其妙的现象，其中死循环和程序“飞掉”是常见的。为了有效地排除这种干扰故障，常采用软件“陷阱”法。这种方法的基本指导思想是，把系统存储器（RAM和ROM）中没有使用的单元用某一种重新启动的代码指令填满，作为软件“陷阱”，以捕获“飞掉”的程序。一般当CPU执行该条指令时，程序就自动转到某一起始地址，从这一起始地址开始存放一段使程序重新恢复运行的热启动程序，该热启动程序扫描现场的各种状态，并根据这些状态判断程

12、序应该转到系统程序的哪个入口，使系统重新投入正常运行。 3.软件“看门狗”“看门狗”（WATCHDOG）就是用硬件（或软件）的办法使用监控定时器定时检查某段程序或接口，当超过一定时间系统没有检查这段程序或接口时，可以认定系统运行出错（干扰发生），可通过软件进行系统复位或按事先预定的方式运行。“看门狗”是工业控制机普遍采用的一种软件抗干扰措施。当侵入的尖峰电磁干扰使计算机程序“飞掉”时，WATCHDOG能够帮助系统自动恢复正常运行。系统抗干扰能力的措施 1、逻辑设计力求简单可靠对于一个具体的机电一体化产品，在满足生产工艺控制要求的前提下，逻辑设计应尽量简单，以便节省元件，方便操作。 2、硬件自检

13、测和软件自恢复的设计由于干扰引起的误动作多是偶发性的，因而应采取某种措施使这种偶发的误动作不致直接影响系统的运行。因此，在总体设计上必须设法使干扰造成的这种故障能够尽快恢复正常。通常的方式是在硬件上设置某些自动监测电路,这主要是为了对一些薄弱环节加强监控，以便缩小故障范围，增强整体的可靠性。 3、从安装和工艺 a合理选择接地 b合理选择电源,合理选择电源对系统的抗干扰能力也是至关重要的; c合理布局,系统的各个部分进行合理的布局，能有效地防止电磁干扰的危害。单片机系统的几点抗干扰技术 单片机系统抗干扰设计 印制电路板及电路的抗干扰设计单片机抗干扰设计在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止

14、窜入干扰，建议采用如下措施：（1）单片机输入电源与强电设备动力电源分开。（2）采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。（3）交流进线端加低通滤波器，可滤掉高频干扰。安装时外壳要加屏蔽并使其良好接地，滤波器的输入、输出引线必须相互隔离，以防止感应和辐射耦合。直流输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波。（4）对于功率不大的小型或微型计算机系统，为了抑制电网电压起伏的影响，可设置交流稳压器。（5）采用独立功能块单独供电，并用集成稳压块实现两级稳压。例如主板电源先用7809稳压到9V，再用7805稳压到5V。（6）尽量提高接口器件的电源电压，提高接口的抗干扰能力。例如用光耦合器输出端驱动直流继电

15、器，选用直流24V继电器比6V继电器效果好。 过程通道是系统输入、输出以及单片机之间进行信息传输的路径。由于输入输出对象与单片机之间的连接线长，容易串入干扰，必须采用隔离技术、双绞线传输、阻抗匹配等措施抑制。利用双绞线抑制长线传输干扰 双绞线是较常用的一种传输线。与同轴电缆相比，其波阻抗高、抗共模噪声能力强，对电磁场具有一定抑制效果。 根据传送距离不同，双绞线使用方法不同，见下表：距距 离离使用方法使用方法示意图示意图5米以下发送、接收端都接有负载电阻。若发射侧为集电极开路驱动，则接收侧的集成电路用施密特型电路，抗干扰能力更强。10米左右使用平衡输出的驱动器和平衡输入的接收器数十米发送和接收信

16、号端都要接匹配电阻。印制电路板及电路的抗干扰设计 在单片机系统中，印制电路板的设计好坏对抗干扰能力影响很大。印制电路板是用来支撑电路元件，并提供电路元件和器件之间电气连接的重要组件。为了减少干扰，在印制电路板设计过程中必须遵循以下三大原则： 尽量控制噪声源； 尽量减小噪声的传播与耦合； 尽量增加噪声的吸收。1、印制电路板大小 印制电路板大小要适中 如果印制电路板太大，会增加线路的阻抗及成本，降低抗干扰能力；太小，则散热不好，而且线路间干扰也会大大增加。 2、去耦电容、去耦电容1 合理配置去耦电容 （1）直流电源输入端应跨接10100F以上的电解电容器。 （2）原则上每个集成电路芯片的Vcc引脚

17、都应安置个0.01F的陶瓷电容器。也可每410个芯片安置一个110F的钽电容器。 （3）对于抗噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储器件，应在芯片的电源线 （Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。2、去耦电容2 （4）电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能带引线。 （5）在选用作为电路充电的储能电容时，尽量采用大容量的钽电容或聚脂电容，而不用电解电容。若使用电解电容则要与高频特性好的去耦电容成对使用。如下图所示为去耦电容的安装位置图。 3选择时钟频率低的单片机及外部时钟部件。 4元件的选择尽量采用低速器件。 5对进入电路板的信号源及从高噪声区来的信号要加滤波，继电器线

18、圈处要加续流二极管。 6尽量不使用IC插座，而把IC直接焊在印制板上，这样可减少IC插座间较大的分布电容。 7电源插接件与信号插接件要尽量远离，主要信号的插接件外面最好带有屏蔽。 在安排插针信号时，用一部分插针为接地针，均匀分布于各信号针之间，起到隔离干扰的作用。信号针与接地针理想的比例为1：1。印制电路板的合理布局 1元件布置要合理分区。 单片机应用系统通常可分三区，即模拟电路区（怕干扰）、 数字电路区（既怕干扰、又产生干扰）、功率驱动区（干扰源）。应将这三个区合理分开，使它们相互间的信号耦合最小。 2印制电路板要按单点接电源、单点接地的原则送电。三个区的电源线、地线由该点分三路引出。 3噪

19、声元件与非噪声元件要离得远一些。 易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离计算机逻辑电路，如有可能，应另做电路板。 4时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端要尽量靠近，并远离I/O线及接插件。 5I/O驱动器件、功率放大器件尽量靠近印制电路板的边缘、靠近引出接插件。 6器件的布置上也应考虑到散热。 最好把ROM、RAM、时钟发生器等发热较多的器件布置在印制板的偏上方部位（当印制板竖直安装时）或易通风散热的地方。单片机组件的参考布局如图所示。印制电路板的合理布线 1正确处理电源线正确处理电源线 根据印制线路板电流的大小，尽量根据印制线路板电流的大小，尽量加加粗电源线宽度粗电源线宽度，减

20、少环路电阻。同时，使，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一电源线、地线的走向和数据传递的方向一致。电源线和地线最好分别设计在致。电源线和地线最好分别设计在不同的不同的版面上版面上，以防杂物引起短路。，以防杂物引起短路。 2、正确处理地线、正确处理地线（1）正确选择单点接地与多点接地。当信号）正确选择单点接地与多点接地。当信号频率小于频率小于1MHz时，应尽时，应尽量采用单点并联接地量采用单点并联接地，实际布线有困难时，可部分串联后再并联接地；，实际布线有困难时，可部分串联后再并联接地；当当频率大于频率大于10MHz时，宜采用多点串联接地时，宜采用多点串联接地；当信号频率在；当信号频率在110MHz之间时，如地线长度不超过波长的之间时，如地线长度不超过波长的1/20，