电子设备的可靠性设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——电子设备的可靠性设计第2章电子设备的可靠性设计2.1影响电子设备可靠性的主要因素2.2电子元器件的选用2.3电子设备的可靠性防护措施2.4印制电路板布线的可靠性设计2.5PCB电磁兼容设计中的地线设计思考题与练习题

2.1影响电子设备可靠性的主要因素2.1.1工作环境

电子设备所处的工作环境多种多样.气候条件,机械作用力和电磁干扰是影响电子设备的主要因素.必需采取适当的防护措施,将各种不良影响降低到最低限度,以保证电子设备稳定,可靠地工作.1.气候条件对电子设备的要求

气候条件主要包括温度,湿度,气压,盐雾,大气污染,灰沙及日照等因素,对设备的影响主要表现在使电气性能下降,温升过高,运动部位不灵活,结构损坏,甚至不能正常工作.为了减少和防止这些不良影响,对电子设备提出以下要求:(1)采取散热措施,限制设备工作时的温升,保证在最高工作温度条件下,设备内的元器件所承受的温度不超过其最高极限温度,并要求电子设备能够耐受高低温循环时的冷热冲击.

(2)采取各种防护措施,防止潮湿,盐雾,大气污染等气候因素对电子设备内元器件及零部件的侵蚀和危害,延长其工作期.2.机械条件对电子设备的要求

机械条件是指电子设备在不同的运载工具中使用时所受到的振动,冲击,离心加速度等机械作用.它对设备的影响主要是:元器件损坏失效或电参数改变;结构件断裂或变形过大;金属件的疲乏破坏等.为了防止机械作用对设备产生的不良影响,对设备提出以下要求:

(1)采取减振缓冲措施,确保设备内的电子元器件和机械零部件在受到外界猛烈振动和冲击的条件下,不致变形和损坏.

(2)提高电子设备的耐冲击,耐振动能力,保证电子设备的可靠性.3.电磁干扰对电子设备的要求

电子设备工作的周边空间充满了由于各种原因所产生的电磁波,造成外部及内部干扰.电磁干扰的存在,使设备输出噪声增大,工作不稳定,甚至不能安全工作.2.1.2使用方面

使用和维护人员对产品可靠性的影响,包括使用和维护的程序及设备,操作方法的正确性以及其他人为的因素.使用可靠性很大程度上依靠于使用设备的人.熟练而正确的操作,及时的维护和保养,都能显著地提高使用可靠性.

电子设备的操纵性能如何以及是否便于维护修理,直接影响到设备的可靠性,因此在结构设计时必需全面考虑.

对电子设备的操纵要求,原则上可归纳为以下几点:

(1)为操纵者创造良好的工作条件.例如:设备不会产生令人厌恶的噪声,且色调调和给人以好感,安装位置适当,能令操精神宁静,注意力集中,从而提高工作质量.

(2)设备操作简单,能很快地进入工作状态,不需要很熟练的操作技术.

(3)设备安全可靠,有保险装置.当操纵者发生误操作时,应不会损坏设备,更不能危及人身安全.

(4)控制机构便捷,尽可能减少操纵者的体力消耗.指示系统明了,便于观测,且长时间观测不易疲乏,也不损伤视力.

从维护便利的角度出发,对结构设计提出以下要求:

(1)在发生故障时,便于开启维修或能迅速更换备用件.如采用插入式和折叠式结构,快速装拆结构以及可换部件式结构等.

(2)可调组件,测试点应布置在设备的同一面;经常更换的元器件应布置在易于装拆的部位;对于电路单元应尽可能采用印制板并用插座与系统连接.

(3)元器件的组装密度不宜过大,即体积填充系数在可能的条件下应取得低一些(一般最好不超过0.3),以保证元器件间有足够的空间,便于装拆和维修.(4)设备应具有过负荷保护装置(如过电流,过电压保护),危险和高压处应有警告标志和自动安全保护装置(如高压自动断路门开关)等,以确保维修安全.(5)设备最好具备监测装置和故障预报装置,能使操纵者尽早地发现故障或测试失效元器件,及时更换维修,以缩短维修时间,防止大故障出现.2.1.3生产方面

1.生产条件对电子设备的要求

任何电子设备在它的研制之后都要投入生产.生产厂的设备状况,技术和工艺水平,生产能力和生产周期以及生产管理水平等因素都属于生产条件.设备若要顺利地投产,必需满足生产条件对它的要求,否则就不可能生产优质的产品,甚至根本无法投产.

生产条件对产品的要求一般有以下几个方面:

(1)设备中的零部件,元器件,其品种和规格应尽可能少,尽量使用由专业厂家生产的通用零部件或产品.由于这样便于生产管理,有利于提高产品质量,降低成本.(2)设备中的机械零部件必需具有较好的结构工艺性,能够采用先进的工艺方法和流程.

(3)设备中的零部件,元器件及其各种技术参数,形状,尺寸等,应最大限度地标准化和规格化;还应尽可能采用生产厂家以前曾经生产过的零部件,充分利用生产厂家的先进经验,使产品具有继承性.

(4)设备所使用的原材料的品种规格越少越好,应尽可能少用或不用宝贵材料,立足于使用国产材料和来源多,价格低的材料.

(5)设备(含零部件)的加工精度要与技术条件要求相适应,不允许无根据地追求高精度.在满足产品性能指标的前提下,其精度等级应尽可能低,装配也应简易化,尽量不搞选配和修配,力求减少装配工人的体力消耗,便于自动流水生产.2.经济性对电子设备的要求

电子设备的经济性有两方面的内容:使用经济性和生产经济性.使用经济性包括设备在使用,贮存和运输过程中所消耗的费用.

为了提高产品的经济性,在设计阶段就应充分考虑以下几个方面:

(1)研究产品与零部件技术条件,分析产品设计参数,研讨和保证产品性能和使用条件,正确制定设计方案,这是产品经济性的首要环节.

(2)根据产量确定产品结构形式和产品类型.产量的大小决定着生产批量的规模,生产批量不同,其生产方式类型也不同,因而其生产经济性也不同.

(3)运用价值工程观念,在保证产品性能的条件下,按最经济的生产方法设计零部件.在满足产品技术要求的条件下,选用最经济合理的原材料和元器件,以求降低产品的生产成本.

(4)全面构思,周密设计产品的结构,使产品具有良好的操纵维修性能和使用性

能,以降低设备的维修费用和使用费用.2.2电子元器件的选用2.2.1电子元器件的选用准则电子元器件选用时应遵循以下原则:

(1)根据电路性能的要求和工作环境的条件选用适合的元器件,元器件的技术条件,技术性能,质量等级等均应满足设备工作和环境的要求,并留有足够的裕量.(2)优先选用经实践证明质量稳定,可靠性高,有发展前途的标准元器件,不选用淘汰和禁用的元器件.

(3)应最大限度地压缩元器件的品种规格,减少生产厂家,提高它们的复用率.(4)除特别状况外,所有电子元器件应按不同的要求经过必要的可靠性筛选后,才能用到产品中.

(5)优先选用有良好的技术服务,供货及时,价格合理的生产厂家的元器件.对关键元器件要进行用户对生产方的质量认定.

(6)细心分析比较同类元器件在品种,规格,型号和制造厂商之间的差异,择优选用.要注意统计在使用过程中元器件所表现出来的性能与可靠性方面的数据,作为以后选用的依据.

2.2.2电子元器件的主要技术参数1.电阻器的主要技术参数

(1)标称阻值和允许偏差.标称阻值是指电阻器上所标示的名义阻值,所有标称阻值都必需符合标称阻值系列.常用的标称阻值有E6,E12和E24系列,如表2.1所示.实际阻值与标称阻值的相对误差称为允许偏差.普通电阻的允许偏差有Ⅰ级(±5%),Ⅱ级(±10%)和Ⅲ级(±20%),缜密电阻允许偏差要求更高,如±2%,±1%,±0.5%～±0.001%等.表2.1电阻器标称阻值系列

(2)额定功率.电阻器的额定功率是指在正常大气压力及额定温度条件下,在电阻器的使用过程中电阻器所能承受而不致将其烧毁的最大限度功率值.它是根据电阻器本身的阻值以及所通过的电流和其两端所加的电压来确定的,是选择电阻器的主要参数之一.常用电阻器额定功率的系列值如表2.2所示.表2.2常用电阻器额定功率的系列值

(3)温度系数.温度系数是指温度每升高或降低1℃所引起的电阻值的相对变化.

温度系数越小,电阻器的稳定性就越好.2.电容器的主要技术参数

(1)标称容量和允许偏差.电容器标称容量及允许偏差的基本含义同电阻一样,标称容量越大,电容器贮存电荷的能力就越强.

(2)耐压值(额定工作电压).耐压值是指在允许的环境温度范围内,电容器在电路中长期可靠地工作所允许加的最大直流电压或交流电压的有效值.在选择电容器时,电容器的耐压值应当大于实际工作承受的电压,否则电容器中的介质会被击穿造成电容器的损坏.常用的耐压系列值如下所示(单位:V):

(3)绝缘电阻.绝缘电阻是指电容器两极之间的电阻,也称漏电阻.一般电容器绝缘电阻在108～1010Ω之间,电容量越大绝缘电阻就越小,所以不能单凭所测绝缘电阻值的大小来衡量电容器的绝缘性能.3.半导体二极管的主要技术参数

(1)最大正向电流IF.最大正向电流是指长期运行时晶体二极管允许通过的最大正向平均电流.

(2)反向饱和电流Is.反向饱和电流是指二极管未击穿时的反向电流值.反向饱和电流主要受温度影响,该值越小,说明二极管的单向导电性越好.

(3)最大反向工作电压URM.最大反向工作电压指正常工作时,二极管所能承受的反向电压最大值.

(4)最高工作频率fM.最高工作频率指晶体二极管能保持良好工作性能条件下的最高工作频率.

4.半导体三极管的主要技术参数

(1)交流电流放大系数.交流电流放大系数包括共发射极电流放大系数(β)和共基极电流放大系数(α).它是说明晶体管放大能力的重要参数.

(2)集电极最大允许电流ICM.集电极最大允许电流指放大器的β下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流值,或者说集电极电流所能达到的晶体三极管允许的极限值.

(3)集电极最大允许耗散功率PCM.集电极最大允许耗散功率是指集电极因受热而引起晶体三极管的参数变化不超过规定允许值时,集电极所能消耗的最大功率,或者说晶体管集电极温度升高到不致将集电结烧毁所消耗的最大功率.(4)集-射间反向击穿电压(UCEO).集-射间反向击穿电压指三极管基极开路时,

(3)功率电阻器尽可能安装在水平位置.

(4)引线长度应短些,使其和印制电路板的接点能起散热作用;但又不能太短,且最好稍弯曲,以允许热胀冷缩.如用安装架,则要考虑其热胀冷缩的应力.(5)当电阻器成行或成排安装时,要考虑通风的限制和相互散热的影响,并将其适当组合.

(6)在需要补充绝缘时,需考虑散热问题.2.半导体分立器件的散热措施1)温度对半导体分立器件的影响

半导体器件对温度反应很敏感,过高的温度会使器件的工作点发生漂移,增益不稳定,噪声增大和信号失真,严重时会引起热击穿.因此,寻常半导体器件的工作温度不能过高,如锗管不超过70～100℃;硅管不超过150～200℃.表2.4列出了常用元器件的允许温度.表2.4常用元器件允许温度2)半导体分立器件散热的一般考虑

(1)对于功率小于100mW的晶体管,一般不用散热器.(2)大功率半导体分立器件应装在散热器上.

(3)散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装,以便于自然对流.散热器上有多个肋片时,应选用肋片间距大的散热器.

(4)半导体分立器件外壳与散热器间的接触热阻应尽可能小,应尽量增大接触面积,接触面保持光亮,必要时在接触面上涂上导热膏或加热绝缘硅橡胶片,借助于适合的紧固措施保证紧凑接触.

(5)散热器要进行表面处理,使其粗糙度适当并使表面呈黑色,以加强辐射换热.(6)对于热敏感的半导体分立器件,安装时应远离耗散功率大的元器件.(7)对于工作于真空环境中的半导体分立器件,散热器设计时应以只有辐射和传导散热为基础.3)散热器

常用的散热器大致有:平板形,平行肋片形,叉指形,星形等,如图2.2(a)～(d)所示.

图2.2散热器形状

(a)平板形;(b)平行肋片形;(c)叉指形;(d)星形

3.变压器的散热措施1)温度对变压器的影响

温度对变压器的影响除降低其使用寿命外,绝缘材料的性能也将下降.一般状况下,变压器的允许温度应低于95℃.2)变压器散热的一般考虑

(1)不带外罩的变压器,要求铁心与支架,支架与固定面都要良好接触,使其热阻最小.

(2)对有外罩的变压器,除要求外罩与固定面良好接触外,可将其垫高并在固定面上开孔,形成对流,如图2.3所示.

(3)变压器外表面应涂无光泽黑漆,以加强辐射散热.图2.3变压器的散热4.集成电路的散热措施

集成电路的散热,主要依靠管壳及引线的对流,辐射和传导散热,如图2.4所示.当集成电路的热流密度超过0.6W/cm2时,应装散热装置,以减少外壳与周边环境的热阻.

图2.4集成电路的散热5.电子设备整机的散热措施1)机壳自然散热

机壳是接受设备内部热量并将其散到周边环境中去的机械结构.机壳散热措施一般考虑如下:

(1)选择导热性能好的材料做机壳,加强机箱内外表面的热传导.(2)在机壳内,外表面涂粗糙的黑漆,以提高机壳热辐射能力.(3)在机壳上合理地开通风孔,以加强气流的对流换热能力.

图2.5为常见的通风口形式.图(a)为最简单的冲压而成的通风孔;图(b)为通风孔较大时用金属网遮住洞口的形式;图(c)为百叶窗式通风孔.图2.5散热器通风口形式2)印制板的热设计

从有利于散热的角度出发,印制板最好是直立安装,板与板之间的距离一般不要小于2cm,而且元器件在印制板上的排列方式应遵循如下规则:

(1)对于采用对流空气冷却方式的设备,最好是将集成电路(或其他元器件)按纵

长方式排列,如图2.6(a)所示;对于采用强制空气冷却(风扇冷却)的设备,则应按横长方式排列,如图2.6(b)所示.

(2)在同一块印制板上安装半导体器件时,应将发热量小或不耐热的元器件(如小信号晶体管,小规模集成电路,电解电容等)放在气流的入口处,将发热量大或耐热好的元器件放在气流的出口处.图2.6集成电路在印制板上的排列(a)纵长排列;(b)横长排列

(3)在水平方向上,大功率器件应尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热途径;在垂直方向上,大功率器件应尽量靠近印制板上方布置,以便减小这些器件工作时对其他元器件温度的影响.

(4)温度敏感器件最好安置在温度最低的区域(如设备底部),不要将它放在发热元器件的正上方,多个器件最好是水平交织布局.也可采用\热屏蔽\方法达到热保护作用.

3)内部结构的合理布局

由于设备内印制板的散热主要依靠空气对流,因此在设计时要研究空气滚动途径,合理配置元器件或印制电路板.具体措施有:

(1)要合理地布置机箱进出风口的位置,尽量增大进出风口之间的距离和高度差,以加强自然对流.

(2)对大面积的元器件应特别注意其放置位置,如机箱底的底板,隔热板,屏蔽板等.若位置安排不合理,则可能阻碍或阻断自然对流的气流.

(3)在印制板上进行元器件布局时,要避免在某个区域留有较大的空域.如图2.7(a)所示,冷却空气大多此后空域中流走,造成散热效果大大降低.如图2.7(b)所示,冷却空气的通路阻抗均匀,散热效果得到了改善.整机设备内有多块印制电路板的状况也应注意同样的问题.图2.7元器件的布局(a)较差布局;(b)较好布局4)强制风冷

强制风冷是利用风机进行鼓风或抽风,提高设备内空气滚动的速度,增大散热面的温差,达到散热的目的.强制风冷的散热形式主要是对流散热,其冷却介质是空气.强制风冷是目前应用最多的一种强制冷却方法.

集成电路在印制板上的排列方式对其温升的影响.

图2.8给出了大规模集成电路(LSI)和小规模集成电路(SSI)混合安装状况下的两种排列方式.LSI的功耗为1.5W,SSI的功耗为0.3W.实测结果说明,图2.8(a)所示排列方式使LSI的温升达50℃,而图2.8(b)所示排列方式使LSI的温升为40℃,显然采用后一种排列方式对降低LSI的温升更为有效.图2.8集成电路的排列方式对其温升的影响2.3.2电子设备的气候防护

潮湿,盐雾,霉菌以及气压,污染气体对电子设备影响很大,其中潮湿的影响是最主要的.特别是在低温高湿条件下,空气湿度达到饱和时会使机内元器件,印制电路板上产生凝露现象,使电性能下降,故障上升1.潮湿的防护

电子设备受到潮湿空气的侵蚀,会在元器件或材料表面凝聚一层水膜,并渗透到材料内部,从而造成绝缘材料的表面电导率增加,体积电阻率降低,介质损耗增加,零部件电气短路,漏电或击穿等.潮气还能引起覆盖层起泡甚至脱落,使其失去保护作用.

防潮湿的措施好多,常用的方法有浸渍,灌封,密封等.1)浸渍

浸渍是将被处理的组件或材料浸入不吸湿的绝缘漆中,经过一定时间使绝缘液体进入组件或材料的小孔,缝隙和结构件的空隙,从而提高组件或材料的防潮湿性能和其他性能.2)灌封

灌封是用于热溶状态的树脂,橡胶等将电器组件浇注封闭,形成一个与外界完全隔绝的独立的整体.3)密封

密封是防止潮湿长期影响的最有效的方法.密封是将零件,元器件,部件或一些繁杂的装置甚至整机安装在不透气的密封盒内,这种防潮手段属于机械防潮.

2.盐雾和霉菌的防护1)盐雾的防护

盐雾主要发生在海上和近海地区,因盐碱被风刮起或盐水蒸发而形成的一种带有

盐分的雾状气体.

盐雾的防护方法主要是:在一般电镀的基础上进行加工,即严格电镀工艺,保证镀层厚度,选择适当的镀层种类;采用密封机壳或机罩,使设备与盐雾环境隔开;对关键组件进行灌封或加其他密封措施.2)霉菌的防护

霉菌是指生长在营养基质上而形成绒毛状,蜘网状或絮状菌丝体的真菌.霉菌种类繁多.

电子设备的霉菌防护方法有以下几种:(1)控制环境条件.(2)密封防霉.(3)使用防霉剂.(4)使用防霉材料.3.金属的防腐

电子设备中大量应用到金属材料,金属材料会和周边腐蚀介质发生化学或电化学作用,从而导致金属的腐蚀.金属防腐蚀措施如下:

(1)选择适合的材料.金属材料的耐蚀性能与所接触的介质有密切的关系.选材时,首先要知道腐蚀介质的种类,腐蚀强度,PH值以及影响腐蚀性的诸如环境温度,湿度变化状况等各种因素.

(2)采用表面涂覆方法.表面涂覆是电子设备最常用的金属防腐蚀方法.表面涂覆就是在零件表面涂覆一层金属或非金属覆盖层.根据构成覆盖层的物质不同,可将覆盖层分为三类:金属覆盖层(电镀),化学覆盖层(金属氧化物)和涂料覆盖层.

2.3.3电子设备的电磁防护

屏蔽就是用导电或导磁材料制成的以盒,壳,板和栅等形式,将电磁场限制在一定空间范围内,使电磁场从屏蔽体的一面传到另一面时受到很大的衰减,从而抑制电磁场的扩散.根据屏蔽抑制功能的不同,可分为电屏蔽,磁屏蔽和电磁屏蔽.电屏蔽即静电或电场的屏蔽,用于防止或抑制寄生电容耦合,隔离静电或电场干扰.电屏蔽最简单的方法是在感应源和受感器之间加一块接地良好的金属板,把感应源的寄生电容短接到地,达到屏蔽的目的.

个集成电路也要加一个去耦电容(独石电容或瓷片电容).(10)单片机不用的I/O端口编程时要定义成输出.

(11)需要时,电源线,地线上可加铜线绕制的高频扼流圈,用来阻断高频噪声的传导.

(12)尽量不要使用集成电路插座,把集成电路直接焊在印制板上,由于插座有较大的分布电容.

(13)若经济条件允许,可用多层板制作印制电路板.2.5PCB电磁兼容设计中的地线设计2.5.1地线阻抗干扰

任何导线(包括地线)都有一定的阻抗.阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗,这个阻抗主要是由导线的电感引起的.当频率较高时,导线的阻抗远大于导线电阻,如表2.6所示.因此,地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造成电路的误动作,导致电路工作的异常.表2.6导线的阻抗2.5.2地线环路干扰和抑制

电源馈线接入电路后,电路接地,馈线和地线就构成一个环路,如图2.16所示.当交变磁场穿过这些环路网孔时,在环路中就产生感生电势em,em=dΦ/dt.em会经过电源馈线(或信号线)产生地环流,对各电路单元造成干扰.这种干扰称为地线环路干扰.

图2.16地环路的干扰1)使用隔离变压器

如图2.17所示,采用隔离变压器可以有效地切断地环流.但是变压器绕组之间存在分布电容C,依旧能够为频率较高的地环路电流提供通路,因此采用隔离变压器的方法对高频地环路电流的抑制效果较差.图2.17采用隔离变压器阻隔地环路2)使用光耦合器

采用光耦合器阻隔地环流是最常用的方法,如图2.18所示.用光连接有两种方法,一是用光耦器件连接,另一种是用光纤连接.光耦器件的分布电容一般只有2pF,即使在高频工作时也能提供良好的隔离;光纤连接几乎没有分布电容,隔离性能最好,但安装,维护,成本等方面都不如光耦器件.

图2.18采用光耦合阻隔地环流3)使用共模扼流圈

当传输的信号有直流分量或有好多频率的交流分量时,就不能用变压器而应用共模扼流圈隔离,如图2.19所示.图2.19共模扼流圈隔离地环流2.5.3公共阻抗耦合干扰和抑制

当两个电路共用一段地线时,由于地线的阻抗,一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制.这样一个电路中的信号会耦合进另