测控仪器设计的可靠性设计

第1页，共67页，2023年，2月20日，星期一讲课内容1、可靠性设计的原则2、原器件的筛选与降额设计3、漂移设计4、热设计5、电磁兼容设计第2页，共67页，2023年，2月20日，星期一

仪表是由许多电子元器件及机械零部件组成的，当元器件质量指标较低时，采用提高可靠性的设计方法显得特别重要。可靠性设计方法包括安全系数与降额使用的选择、冗余设计、漂移设计．还要考虑在恶劣的环境条件下仪表能正常工作的措施，这就是所谓的三防设计与耐环境设计。

随着自控系统的大型化，由变送器、传输线、记录仪、巡回检测装置等构成的多路检测回路需要进行集中控制。这类检测系统往往受周围环境的电磁场干扰，不能稳定工作，因此还要考虑抗电磁干扰的设计。另外所有的仪表都必须经由包装、运输途径送到用户手中，运输过程则是典型的随机冲击振动。如：汽车在崎岖不平的道路上行驶时，最大冲击力可达到100g。经统计仪表受到20g以下的冲击值的概率为90％。故设计时，就需要考虑耐冲击振动的设计措施，来应付这种高概率的冲击作用。有些仪表在炎热的环境中，需要采用电扇强行冷却才能正常工作。如果在仪表设计之初就采取一定的措施，即为“热设计”。概述第3页，共67页，2023年，2月20日，星期一第一节可靠性设计的原则

由于产品类型不同，复杂程度不同，各类产品失效模式不同，以及工作条件不同等，产品的可靠性设计内容也不尽相同。具体可靠性设计均应考虑下列一些设计原则。1、收集可靠性数据，确定可靠性指标进行产品设计时，应先确定产品的可靠性指标。指标的确定，一是按标准规定，二是由用户提出，三是由设计者提出，四是由各方协商确定。要求首先收集和掌握国内、外同类产品或相近产品的可靠性数据。不切实际地追求产品高可靠性指标。就存在能否实现与成本问题。确定可靠性指标一要切实可行，二要指标先进，有利于促进产品可靠性水平不断提高。第4页，共67页，2023年，2月20日，星期一

2、考虑明确产品的使用条件及工作环境因为产品的可靠性，是针对一定的工作条件而言的，这种工作条件包括两个方面：一是使用条件，主要是指现场操作条件及维护条件，二是工作环境条件，包括工作地点的温度、湿度；水分、灰尘、腐蚀介质……等等。

3、系统设计系统设计首先确定系统的组成及系统类型。当系统类型确定之后，系统可靠性设计方式有两种：一是根据零件(元件)或子系统可靠性预测结果计算系统可靠性指标，即系统可靠性预测，预测结果满足指标要求即可，二是当预测结果没有满足规定的指标时，应进行可靠性分配，把系统的可靠性指标，分配到子系统甚至分配到零件上。提高系统可靠性，也是从两方面着手，一是采用贮备系统，比如并联系统，表决系统，旁联系统等；二是提高元件或零件的可靠性；实际上采用哪种方法提高系统可靠性要作具体分析，视具体情况而定。第一节可靠性设计的原则（续）第5页，共67页，2023年，2月20日，星期一

4、采用标准件，选用外购件为保证所设计的产品的可靠性高，易于维修，应尽量采用标准化零件。对于外购件、外协件，应选用经过考验的厂家生产的高质量产品，而且对外购件、对外协作要提出可靠性要求，产品进厂时要进行抽验，以确保系统的可靠性。

5、方案简化，结构简单从可靠性角度出发，产品在满足要求情况下，组成系统的单元越少，结构设计越简单越好。对于新材料、新技术、新结构的应用，要有充分的把握，有的需经过试验并经一段时间试用证明确有保证时，再大批使用。第一节可靠性设计的原则（续）第6页，共67页，2023年，2月20日，星期一

6、耐环境设计所谓耐环境设计，就是研究环境应力的影响，采取提高耐环境应力的能力措施。主要有下面几个方面。

(1)温度影响。比如高温、低温、热冲击、热辐射、温度循环(如四季温差变化)等都会对产品产生热应力的影响。解决温度应力影响所采取的措施称为耐热设计，比如防寒设施，通风冷却，隔热等。

(2)湿度影响。比如湿度，降雨，降雪，雾气，河水，海水，腐蚀性气体等湿度、水分应力影响。

(3)冲击、振动影响。研究冲击、振动产生的原因、影响，设计时采取防止或减少冲击、振动的措施，如用缓冲、减震装置等。

(4)日照，风砂，风力，灰尘等影响。

(5)其他影响。如各种场(电场、磁场、重力场等)的影响及各种辐射作用的影响，第一节可靠性设计的原则（续）第7页，共67页，2023年，2月20日，星期一

7、维修性设计所谓维修性设计，就是在设计时应考虑产品的故障容易发现，易于检查，便于尽快修复，甚至在未出现故障时，就·采取必要的措施加以预防或消除故障于未然。进行维修性设计，主要考虑以下几点，

(1)在满足要求情况下，结构尽量简单。零件数目尽量少，调整环节简便。对于易发生故障件、故障发生影响大或故障部位不易发现处，应设置故障诊断、检测及指示装置，以便能快速判别故障并报警。

(2)可达性设计。即对于容易出故障的部位或零部件，能够容易接近，装拆及更换。

(3)尽可能采用独立的结构单元。分离方便，使整个单元进行迅速更换，这有利于提高设备的有效度及维修度，替换下的结构单元采用事后维修，更容易保证维修质量。

(4)尽量采用标准零部件。加强互换性，还应考虑使用标准维修工具。

(5)尽量设法减少或避免因某一零件更换需装拆其相邻的零件。

(6)要考虑维修人员作业方便与安全。第一节可靠性设计的原则（续）第8页，共67页，2023年，2月20日，星期一

8、人--机工程设计由人操纵或控制的系统，不少故障发生是由于人的失误所致。工程心理学认为人犯技术错误的概率为10-2一10-5，一般为10-3。要减少人的差错，可以从两个方面着手解决，一是人的可靠性问题，其中包括人员责任感、人员技术水平及人所处的工作环境；另一方面是考虑人机关系。人员操作错误的原因与人本身、机器及环境有关，为了减少人犯差错的概率，就应在人一机工程设计上下功夫。具体内容包含：（1）人的操作可靠性人--机系统可靠度为：

(1)

式中，RM为仪表的可靠度，RH为人操作的可靠度，即操作者无差错完成功能的概率。第一节可靠性设计的原则（续）第9页，共67页，2023年，2月20日，星期一由此可见，要提高人操作的可靠性，就应从减少人操作中发生错误的概率及即使发生操作错误不致引起设备的故障方面进行设计。

（2）指示系统可靠性设计，解决系统向人传递信息可靠性问题

a)合理地确定信息显示方式。比如计算显示或数字显示，标量显示；定性显示等。

b)显示器配置设计。人观察各种显示器时，一般要离开相当距离，比如工业仪表，读取可靠的最佳距离与仪表外形尺寸有关，一般推荐下式：（3）

式中，L为读取距离；D为仪表实际尺寸。第一节可靠性设计的原则（续）第10页，共67页，2023年，2月20日，星期一

当环境好时，可取大值，环境较差时取小值。此外，显示器位置角度要合理，如从正面观看，视线与仪表板成600时，读取误差小。当有多种信息显示时，必须设置集中控制的板面或控制台，控制台位置也要合理。

c)显示器的可靠性，这主要是指显示器本身可靠性。

(3)操作、控制系统可靠性设计---人向系统传达指令的可靠性

a)控制、操作机构及仪器精度高。’

b)控制、操作机构及仪器容易识别。

c)控制、操作机构及仪表适于人的使用习惯。

d)控制台设计的可靠。

(4)操作环境的可靠性设计环境的可靠性设计，是使操作者所处环境尽量适于人的工作需要，减少造成疲劳、干扰操作的因素，这些因素主要有：温度过高或过低，气压，湿度，照明，色彩，噪声，振动，冲击，雨雪，污染物等。第一节可靠性设计的原则（续）第11页，共67页，2023年，2月20日，星期一

9、安全性设计系统发生故障后，故障产生的影响及其后果随故障类型不同而异。但我们从安全性角度考虑，可把机械产品失效分为两种情况，一是失效导致功能失效，生产暂停，服务中断。二是失效除产生上述结果外，还可能造成人员伤亡，环境破坏及财产的巨大损失。对于这后一种情况，就存在安全性问题。进行安全性设计，目的在于保证系统危险性故障发生的概率最小或一旦发生故障使其造成的损失最小。概括地说，安全性设计内容和程序如图1所示。第一节可靠性设计的原则（续）图l安全性设计内容和程序第12页，共67页，2023年，2月20日，星期一

(1)安全分析从安全角度对系统进行分析称为安全性分析。安全性分析主要包括如下几点：

a)寻找所有零件(或部件)故障模式，研究各种故障对系统及其他零、部件的影响，并确定哪些故障对系统安全性影响最大。

b)确定系统全部不安全失效模式，找出最危险失效模式。

c)确定系统安全方面的最薄弱环节，采取改进及预防措施。常用的安全分析方法有；

a)失效模式、影响及致命度分析，常写为FMECA(FailureModelEffectandCriticalityAnalysis)。

b)事件树分析——ETA(EventTreeAnalysis)。

c)故障树分析——FTA(FaultTreeAnalysis)。

第一节可靠性设计的原则（续）第13页，共67页，2023年，2月20日，星期一

（2）安全技术设计在确定系统失效模式后，要在技术上采取措施，来保证系统具有一定的安全水平，安全技术设计可从以下几方面考虑。

a)消除产生致命故障的危险因素。如提高危险零部件的可靠度；进行安全保险设计，设立保险装置和防止出现误操作设计。

b)异常状态的监测、报警。对于致命性故障源，要设立故障监测装置，以防患于未然。例如：火车中的轴承！

c)人员防护设计，设立安全防护装置。

（3）安全评价估计出现失效的概率大小。

（4）风险评价估计故障后果的影响程度与损失大小。第一节可靠性设计的原则（续）第14页，共67页，2023年，2月20日，星期一

10、可靠性增长在新产品从开发研制一直到定型生产之前，一般要经过：设计—试制—试验—修改—小批生产—检验—改进—定型生产。在这一过程中，产品可靠性水平在不断提高，称为可靠性增长。建立可靠性增长模型是在新产品研制过程中一项有效的可靠性设计新技术，它有助于定量地对新产品可靠性水平作出估计，监控产品研制进展情况，并确定出产品投产时的可靠性水平。第一节可靠性设计的原则（续）第15页，共67页，2023年，2月20日，星期一

电子产品的“硬件”故障，大部分直接以元器件的各种故障方式表现出来。其故障原因，并非都是元器件本身的缺陷，有不少是选用不当造成的。例如在电路设计时元器件的工作应力超过产品的额定值，或是对元器件失效机理不清楚，用于不适当的环境条件等等。

因此元器件的选用及筛选成为电子产品可靠性设计的重要环节之一。为了保证元器件的使用可靠度，合理地进行降额使用元器件，可大幅度地降低元器件的失效率，因此降额设计已成为电子产品可靠性保障设计的最有效的方法之一。一、可靠性筛选

筛选是一种用于剔除不符合要求产品的挑选技术。可靠性筛选是在一批产品中剔除那些由于原材料、工艺制造等潜在的不良因素所造成的缺陷而早期失效的产品。在筛选以前，产品的参数性能一般都是合格的，只有对产品施加各种应力条件或采用特殊的检查手段后，才能发现有隐患的早期失效产品。一批产品，由于通过筛选剔除了早期失效的产品，就可以提高该批产品的可靠性水平。失效率可以降低半个到一个数量级，个别的甚至可以降低两个数量级。第二节元器件的筛选与降额设计第16页，共67页，2023年，2月20日，星期一

例如，某工厂生产的二极管，在加大功率的条件下进行试验，试验时间与失效率的数据列入下表：

由表中数据可以看出，从0.1h到10h进行加大功率时的可靠性筛选以后，其失效率下降1.200/0.004＝300倍，即从原来的6级下降到8级。

对于电子元器件，其失效机理是产品本身具有的固有特性，当产品生产后，它的失效机理就完全确定了，而可靠性筛选不能改变其失效机理。所以，可靠性筛选不能提高单个元件的可靠性，只有当一批产品的早期失效产品被剔除后，才能提高该批产品的可靠性水平。同时要求，在整批产品的特性上，可靠性筛选不该影响其失效机理、失效模式和正常工作，因此筛选试验应力对优良产品的损伤要尽可能的小。第二节元器件的筛选与降额设计(续)第17页，共67页，2023年，2月20日，星期一

筛选方法种类较多，按其方法复杂程度可分类如下。

(1)分布截尾筛选。对产品参数性能的筛选。

(2)应力强度筛选。对产品施加一定强度的应力后进行测量评定分选。

(3)老炼筛选。在规定的时间内对产品施加各种应力条件后进行测试挑选。例如采用高温老炼筛选、功率老炼筛选及离心老炼筛选等。

(4)线性鉴别筛选。采用适当检查手段及筛选项目进行试验，获得数据，运用数理统计方法进行判别挑选。

(5)精密筛选。在接近产品的使用条件下进行长期老炼，并多次精确地测量参数的变化量进行挑选和预测。前两种方法简单易行，但对剔除早期失效产品的效果较差；后两种方法需要专门的设备和较长的时间，费用较高，但对剔除早期失效产品的效果较好。通常要根据产品的使用要求、质量水平及费用等情况合理地选择筛选方法。第二节元器件的筛选与降额设计(续)第18页，共67页，2023年，2月20日，星期一

目前老炼筛选是可靠性筛选的主要方法，精密筛选由于费用高、周期长、通常用于高可靠性的元器件筛选，如卫星元件、军工产品及海底电缆通信元件等。例如，半导体集成电路的典型筛选程序是：①高温老炼储存：1500C～1750C，96h。②离心老炼．20000g，lmin③高温功率老炼：1250C，96h，在额定电压、额定负载下动态老炼。第二节元器件的筛选与降额设计(续)第19页，共67页，2023年，2月20日，星期一二、降额设计

1．减额设计的理论依据

电子元器件在使用或贮存过程中，总是存在着某种比较缓慢的物理化学变化。当这一物理化学变化过程发展一定阶段时，元器件的特性退化、功能丧失，即失效。例如：半导体器件---上述物化作用形成导电沟道时，使器件反向漏电电流变大，击穿电压下降；器件表面复合速度变大，晶体管的电流放大系数降低等等。物化过程与温度有密切关系，当温度升高以后，这些物理变化过程大大加快，器件的失效过程被加速。在我国电子工业部颁发的《电子设备可靠性预测手册》中绘制了电子元器件降额曲线。

对于不同的元件，降额的方法是不一样的，电阻器的降额方法是降低功率比，电容器是降低其工作电压，半导体器件的降额方法是将工作功耗保持在额定功耗之内，数字集成电路通过降低周围环境温度和电荷来降额，线性集成电路、大规模集成电路和半导体存贮器也是通过降低周围环境温度来实现降额的，轴承则以负荷比为降额系数。第二节元器件的筛选与降额设计(续)第20页，共67页，2023年，2月20日，星期一2．降额原则

主要考虑三个问题：一是降额从怎样的温度、电应力值开始；二是降额多少为合适；三是降额的效果。

(1)降额区域

一般元器件规范中都附有温度、电应力的降额曲线。对于不同类型的元器件，电应力可以是电压、电流或功率等。降额的第一步是使用降额曲线，曲线内的区域为允许工作区，曲线本身又由两部分组成（图3）。第二节元器件的筛选与降额设计(续)第21页，共67页，2023年，2月20日，星期一

与T轴平行的AB段表示当工作环境温度低于TS时，器件可满载使用。BC段表示温度高于TS后需要遵循的降额率曲线。温度达Tmax后，由于管芯已达最高结温，所以允许负荷的值只能为零。这条ABC曲线表示要保证元器件正常工作所允许的最大电应力与环境温度之间的函数关系。我们要讨论旨在提高设备可靠性的降额，就必须是在曲线ABC内的区域，可将ABC曲线作为降额开始的基准线。

(2)降额图一般用降额图来表示元器件可取的降额值范围。图4就是典型的半导体器件的降额图。图中分三个区域：

R：禁用区域---在这一区域内，元器件应力超过其额定值，不能使用。这一区域界线就是上面所说的降额曲线。第二节元器件的筛选与降额设计(续)第22页，共67页，2023年，2月20日，星期一

Q：有问题区域——在这一区域内，元器件在其额定值内工作，但不可能获得足够的可靠性值。在该区内长期使用，元器件可靠性会降低。电路设计时，尽量不要选用。该区实在不能避开时，设计者应十分谨慎。

A：合格使用区——可靠性与费用之比是最佳的区域，可提供最佳安全系数。元器件在这一区域内使用，预计不会产生可靠性退化。第二节元器件的筛选与降额设计(续)第23页，共67页，2023年，2月20日，星期一

例如，对于电子元器件的老炼，温度相差100C，则寿命相差l/2—1/1.5倍。

3．降额设计的局限性元器件的降额使用并不是降额越多越好，因为降低元器件电负荷过多，将会增加设备的体积、重量及成本；而且也不是任何情况下都能有效的，这是因为

(1)当可靠性已达到要求时，再用降额来继续提高可靠性就多余了。同一设备中的各种元器件可靠性水平要协调。对其中某些元器件大幅度的降额，使其可靠性远离于其它元器件，这种降额也是不必要的。

(2)单纯用降额来提高可靠性是有限度的。因为无论是温度应力还是电应力，降额到一定程度后，这时即使再大幅度的降额，失效率也只有微小下降。第二节元器件的筛选与降额设计(续)第24页，共67页，2023年，2月20日，星期一(3)对于有些元器件过度降额反而有害。如大功率晶体管在小电流下工作，将大大降低放大系数且参数稳定性也下降。

例如：有的元件降额容易发生低电平失效，如聚苯乙烯电容CL10、涤纶电容CLll和漆膜电容CQ10、CQ20等。对于电子管的灯丝电压和继电器的线包电流不仅不能降额，反而要控制在额定值上，否则将直接影响寿命和可靠的接触。

(4)电应力的降额比较容易做到，对温度应力的控制主要靠改进热设计。

(5)采用降额技术来提高可靠性，还要讲效益，即降额程度的取值需综合考虑可靠性指标要求及重量、体积、成本的限制。如果单靠降额来提高可靠性其综合效益不高时，就应采取改进设计，提高元器件强度等手段来提高可靠性。第二节元器件的筛选与降额设计(续)第25页，共67页，2023年，2月20日，星期一

仪器仪表同其他电子设备一样，其性能指标最终取决于它的元器件性能参数，而元器件的性能参数由于制造公差、环境条件和退化效应存在着漂移特性。这使得初期工作性能好的仪器仪表随环境变化、时间积累渐变为失效状态，这种失效称作漂移失效。设计者的任务就是在元器件参数波动时，仍能保证仪器仪表正常工作。这一设计技术称作漂移设计或允差分析技术。

一、元器件的漂移特性及其对系统性能的影响仪器仪表性能的漂移失效一般有以下三个原因：

一是组成系统的元器件参数通常是以标称值表示的。其与实际数值之间存在着公差，例如标称1000Ω精度为±10%的电阻，其实际阻值在900～1100Ω之间，机械零件的加工精度也有公差。忽略公差，系统性能参数可能超出允许范围，发生参数偏移，机械传动可能卡死或过于松动。由制造公差造成的参数偏移一般呈正态分布。

第三节漂移设计第26页，共67页，2023年，2月20日，星期一

二是环境条件。例如温度的变化会使机械零件膨胀或收缩，弹性模量不稳定，使电子元器件参数发生温漂。表6—1示出了国产取TX碳膜电阻的温度系数。表6—2示出了涤纶、铝电解电容和铌电容在各种环境下的变化量。

第三节漂移设计（续）第27页，共67页，2023年，2月20日，星期一

环境条件产生的参数偏移在许多情况下是可逆的，即随着条件而改变。呈现系统性能不稳定。三是退化效应。如腐蚀和氧化，漏电和绝缘击穿，表面上金属离子的迁移，磨损和疲劳以及塑料的收缩和开裂，使元器件参数随时间而缓慢变化。

退化效应引起的参数偏移是不可逆的。图5说明元器件受温度、湿度、负荷等影响，其均值和标准偏差随时间发生缓慢变化。一个元器件特性值的漂移对系统性能的影响可用图6表示。漂移通过相应的传递函数，转化成系统性能参数标称值和分布特性的变化。当系统性能参数超出规定的指标范围时，系统呈性能故障状态。多个元器件特性值的漂移对系统性能的影响可用多元函数来描述。函数y与一些参数间可能存在正的对应关系，与另一些参数间可能存在负的对应关系。一组参数性能的组合使y的变化范围超出了规定的公差范围，呈现漂移故障。

第三节漂移设计（续）第28页，共67页，2023年，2月20日，星期一二、漂移可靠性设计方法

漂移可靠性设计可分为控制元器件质量法与容差电路设计法。前者对元器件用料及工艺过程进行严格的控制，以提高元器件制造质量来减少漂移对系统的影响。而后者是从电路和系统设计角度出发，允许所用器件的参数在较大范围内变化。在实际应用中，常以下列三种方法设计电路：

一是利用反馈技术，抑制元件参数变化给电路带来的影响，这属于线路设计技术；

二是利用补偿技术，互相抵消由不稳定因素引起的参数变化。如用陶瓷作电介材料的特种小型电容器可有几种不同的正或负温度系数，在需要电容值固定不变的地方，把这些电容器和其他电容组合起来，就可得到总温度系数很小的、任何容量的组合电容。第三种方法是漂移可靠性设计法，简称漂移设计。下面以常用的最坏情况设计法为例加以介绍。

第三节漂移设计（续）第29页，共67页，2023年，2月20日，星期一

在电子设备中，功率损失通常以热能耗散的形式表现，而任何具有电阻的元件都是一个内部热源。当电子设备工作时，本身温度会升高。同时，设备周围的环境温度亦会影响设备内部温度。随着微电子技术的发展，电子设备的热设计越来越受到重视。由经验可知，室温每提高100C，寿命就缩短1/2—1/1.5。这就是常说的寿命与温度存在着“100C法则”，所以热设计是电子设备可靠性保障设计的主要方法之一。电子设备的热设计技术是针对热量的传播方式，研究多种控制热量的方法，以达到减少温升，来保证电子设备的可靠性。电子设备热设计的要求如下：

(1)通过热设计可达到在满足性能要求的条件下，尽可能减少仪器内部产生的热量。

(2)通过热设计减少热阻。

(3)热设计能保证设备和元器件能在较低的愠度条件下工作；以便作到减少参数漂移，保持电气性能稳定，从而提高可靠性。

第四节热设计第30页，共67页，2023年，2月20日，星期一

由热力学第二定律可知，只要有温度存在，热量总是自发地从高温物体传向低温物体。热能传输有导热、热对流、热辐射三种基本形式，其原理及在工程中的应用分述如下。一、导热原理及热设计中的应用

导热是指直接接触的物体各部分热能交换的现象。在液体和介电质固体中，热能的传输主要靠分子运动弹性波的作用，在金属内部则主要靠自由电子的运动；在气体中依靠分子和原子的扩散。

1．导热基本定律导热的基本定律是：在纯导热现象中，单位时间内由导热所传递的热量Qk(w)与材料两端的温差ΔT(oC)及垂直于导热方向的截面积S(cm2)成正比，与导热的路径长度l(cm)成反比，与材料的导热系数λ(W／cm·oC)成正比，即：(13)第四节热设计(续)第31页，共67页，2023年，2月20日，星期一

(1)导热系数λ。导热系数λ是表示物体导热能力的物理量，其物理意义是单位时间内通过单位长度温度降低10C时所传递的热量。表3列出了不同材料在摄氏200C时的导热系数。

表3有关材料在200C时的导热系λ(W／cm·oC)第四节热设计(续)第32页，共67页，2023年，2月20日，星期一

(2)热阻如果把导热过程模拟成导电过程，则热路欧姆定律为

（14）式中，ΔT和Qk的定义和单位与式(13)相同，热阻RT的单位为0C/W。对于横截面为S，长为L的棒料，其热阻RT＝L/Sλ。

2．传导散热的主要措施（热设计）对于安装密度高的电子设备，对流和辐射换热都比较困难。传导散热就成了散热的主要手段。其主要措施有；

(1)选用导热系数大的材料制造传热零件，例如银、紫铜等。

(2)由于导热是两种不同温度的物体相互接触时产生的，因此，必须注意接触热阻。接触状态决定了导热过程。一般认为接触热阻与接触压强大小、表面加工状态、清洁程度、材料性质和接触面积的大小有关。其中以接触压力影响最大。第四节热设计(续)第33页，共67页，2023年，2月20日，星期一

接触不良的干面间存在着空气隙，导致热流线在接触处发生收缩，致使温度发生突变，出现接触热阻剧增。因此，必须增大接触压力，降低接触面粗糙度、提高清洁度来保证接触良好。或在接触面间涂硅脂，或在接触面间垫入软的可展性导热材料。涂导热硅脂，接触热阻可降低25～35%，垫入铅箔，热阻约降低20~45％；若半导体器件与散热器之间要求小电容时，可采用氧化铍垫片。

(3)尽量缩短热传导的路径，且在热传导路径中不应有绝热或隔热元件。因为发热的电子元器件的功耗主要通过引线的热传导传出。因此，必须使引线尽可能缩短，以减小底板和发热元件的温差。第四节热设计(续)第34页，共67页，2023年，2月20日，星期一

3．传导散热的设计举例

(1）功率晶体管的热设计。

大功率晶体管是热设计中的重点元件，对于它单靠引线及管壳本身散热已不能满足要求，而必须借助散热器，我们可以画出带散热器功率管的热路图，见图9。

第四节热设计(续)图9功率晶体管热路图第35页，共67页，2023年，2月20日，星期一

图中，QT是晶体管工作时结散发的热量，对应于集电极耗散功率，RTj是结到管壳的内部热阻，RTC是管壳到散热器的热阻，RTf是散热器到空气的热阻，Tc为管子壳温，Tf为散热器温度，Ta是环境温度，RTp是管壳到空气的热阻。因为管壳直接散到空气的热量远比经散热器散到空气的热量小，即RTp》(RTc+RTf)。所以RTp可以忽略不考虑。根据传导方程得出晶体管的结与环境空气之间的温差公式

当已知集电极耗散功率Pc后，可用下面关系式求出各个热阻第四节热设计(续)第36页，共67页，2023年，2月20日，星期一

已知限制晶体管最大耗散功率Pcmax的主要因素是总热阻、最高允许结温Tjmax和环境温度。在热设计时，保证晶体管的可靠性及使用寿命，必须满足Pc<Pcmax，即Tj<Tjmax。为了保证这一点，在选定晶体管以后，按照下面方法计算选用散热器。先由管型查手册得到Pcmax

，Tjmax

和安装孔型，根据使用要求，如管壳和散热器是否要绝缘等，选定接触电阻，再根据要求的环境温度Ta和使用功率Pc求出RTf或ΔTfd。

由散热器特性曲线(ΔTfd

~Pc，RTf

～Pc)，查出相应Pc点的RTf或ΔTfd

，若查出的RTf或ΔTfd值小于计算值，则满足要求。在选择和安装散热器时应注意；

①保证散热前提下，尽量选用体积小、重量轻的散热器。②安装时要减小接触电阻。方法包括：除尽量增大接触面积、压力、光洁度外，表面涂硅脂其接触热阻约降低(22～35)％；当接触处不能接触良好时，垫入铜箔其热阻可降低(20~45)％。第四节热设计(续)第37页，共67页，2023年，2月20日，星期一

③散热器表面应粗糙，涂黑色，以加强辐射散热效果。④当晶体管和外壳要绝缘时，不应采用管壳下垫绝缘片的办法，而采用散热器和机架绝缘的方法。

(2)印刷电路板的热设计

随着电子技术的发展，大量使用的集成电路，必然向小型化提高安装密度的方向发展，从而使印刷电路板的发热密度变高，如何有效地将印刷电路板上的热引导到外部就是热设计问题。印刷电路板上的布线可以分为电源线、接地线和信号线，其中以电源线和接地线流过的电流较大。热设计应该考虑保证导线的载流容量，线的宽度必须适合电流的传导，不致引起超过允许的温升和压降。

印制板上的电子元器件，主要依靠导热提供一条从元器件至印制板经导轨到机壳侧壁的冷却传热路径，再由侧壁传至周围环境或机箱的冷板散热通道。第四节热设计(续)第38页，共67页，2023年，2月20日，星期一

目前常用的方法是采用散热印制板(在印制板上附一薄的金属层一导热条或导热板)，如图10所示。把元件粘接到印制板的导热条或导热板上(电气绝缘)，可减小导热热阻。由于大规模集成电路、双列直插式集成电路的引线较多，几乎有一半的热量是通过引线传给导热条(板)的，引线孔应用金属化涂覆孔，以提高导热能力。元件安装方向应符合冷却气流流动特性，应沿其气流流动的纵向放置。同一块印制板上的电子元器件，应按发热量大小及耐热程度，分区放置。不耐热的元器件放在冷气流的入口处，耐热性能好的元件放在出口处。第四节热设计(续)图10导热条与导热板结构第39页，共67页，2023年，2月20日，星期一二、热对流原理及其应用

热对流是依靠发热物体周围介质的流动转移热量的过程。热对流可分为自然对流和强迫对流两种类型。

自然对流是由冷、热流体的密度差不同而引起的流动，强迫对流是依靠外力造成的流体内压力不同而引起的流动。

在自然对流中，受热区的流体由于分子内能增加而减小其密度，使受热流体上升，温度较低的流体就要置换到它原来的位置，形成了由温度差而引起的自然对流过程。在这个过程中，既有流体本身的热交换，又有流体与固体之间的热交换。自然对流的强度取决于流体的温差、种类及对流过程所处的空间位置。

在强迫对流中，通常借助风机的作用迫使流体运动，使流体高速度地掠过受热物体表面，以加强对流作用，其强度与外力在流体内所造成的压差、流体的种类、温差及流道的结构形状等有关。第四节热设计(续)第40页，共67页，2023年，2月20日，星期一

1、对流换热的牛顿方程式

牛顿方程式告诉我们，对流换热过程中所传递的热量Qc(w)与不同几何形状物体的换热系数α(w／cm2.0C)、固体壁面的换热面积S(cm2)及固体壁面与冷却流体介质间的温差ΔT(℃)成正比，即

(15)

从上式可见，牛顿方程中把影响对流换热的复杂因素归结为求解换热系数α的问题。

（1)换热系数α

。

换热系数α表示单位面积在温差为I0C时所传递的热量，可由实验确定，单位为(W／cm2.oC)。

(2)自然对流。

对于自然对流，牛顿方程可以用下式表示(16)第四节热设计(续)第41页，共67页，2023年，2月20日，星期一

式中:C是常数，由物体壁面方向及形状决定(cm)；L是特征长度，由物体壁面方向及形状决定(cm)；S是物体表面面积(cm2）；ΔT是物体壁面与空气流体之间的温差(oC)。

·

(3)强迫对流

在强迫对流的热交换过程中，系统内每一点的气流模型是很复杂的，有层流、紊流，或兼而有之。一般是直接用式(16)来计算换热能量。

2．对流散热的主要设计方法

(1)自然对流散热设计①必须有足够的空间使热空气自由流动

实践证明，当两元件之间距离太小时，自然对流就将停止。当间隔小于3.81cm时，自然对流换热系数减低，当间隔减小到0.32cm时，自然对流几乎停止。因此，在排列元件和印刷板时应考虑到这个问题。第四节热设计(续)第42页，共67页，2023年，2月20日，星期一第四节热设计(续)

②在安排元件时应充分注意到温度场的合理分布一般来说温度场分布应均匀，不得过于集中，电子设备的热分布应该遵循“头热足寒”的原则。都必须将耐高温的元器件安排在上部。，而将抗高温能力差的元器件放在底部。

③最大限度地利用设备外壳作散热器进行散热如把发热很大的元件直接安装在壳体上；发热元件要按发热量大小，由上至下顺序安装，尽量防止出现局部高温。

④在机箱外壳的适当位置上开孔孔应尽量开在侧面，同时根据机内温度的差异，在靠近温度高的部位多开孔。开孔面积大小与机箱内部耗散功率P有关：一般估计P<70W时，无需采取任何措施；当P>70W时则要在机箱顶部或侧壁上开孔；当P>>IOOW时，则需要采取强迫风冷措施。一般情况下，当T2-T1<350C时，机箱开孔总面积S由下列参考公式求得：第43页，共67页，2023年，2月20日，星期一

式中,P—通风孔对流散热功率；P＝(P2-P1)w/R；ρ—机箱内空气密度；ρ=354/(T2+273)kg／m3；T2—机箱内空气温度oC；T1——机箱外空气温度0C；R—对流热阻oC／W。设计对流散热时，尽可能采取垂直通道，以提高对流散热效率，如图11所示。

第四节热设计(续)图11机盒、机柜的自然对流第44页，共67页，2023年，2月20日，星期一

(2)强制对流

强制对流是指借助于风机(或泵)等迫使流体与较高温度的物体表面进行热量交换。这种方法在许多电子仪器设备中应用很广。下面介绍强制风冷时要考虑的二个问题。

强制风冷风机的选择:

强制风冷就是采用风机来达到散热的目的。因此，如何选择一种合适的风机是很重要的。在选择风机时要考虑到风机尺寸、重量、功耗、寿命以及噪声等。选择风机的步骤大致如下：①首先要估算由功耗而引起的温升，②为了保持规定温升范围，估计所需要的气流量，根据简单的热平衡关系，气流流过发热表面带走热量后的温升为:(17)

式中；P—元器件的功耗(W),Qf—空气流量(m3／min)第四节热设计(续)第45页，共67页，2023年，2月20日，星期一

对一般电子仪器设备，其温升ΔT应控制在10~140C，因此利用式(17)可算出Qf值，而实际风量应为计算值的2～4倍。③气流通过散热装置所必须克服的压力损失可用下式表示

(18)

式中,hs—沿程阻力；hd—局部阻力；hc—设备冷却部分的附加损失(一般按经验选取后，加大15～20％)。④根据求得的Qf和ΔP值来选择相应的风机。电子设备中常用的风机有二种：一是离心式风机，其特点是静压高，流量低，多用于阻力较大的电子器件的冷却，另一种是轴流式风机，其特点是气流进出方向与轴向平行，静压低，流量大。这两类风机的有关数据都有资料可查。第四节热设计(续)第46页，共67页，2023年，2月20日，星期一

三、辐射换热原理与应用

发热源可以通过辐射将自身的热量散发掉，这是由于发热体能将热转化为电磁波，以热射线的形式向外辐射。热射线的辐射速度与光速相等。热射线可以通过真空、气体及其他物体，与光通过物体一样产生反射、折射、透射和吸收。辐射能量的大小与发热体表面的温度、形状，表面粗糙度、材料、涂覆层材料、颜色、辐射波长等条件有关。辐射能力常以辐射率表示。发热物体的最大辐射能力是指将热量全部转化为热射线辐射出去，此时e≈1，一个物体吸收热射线的能力常以吸收率α表示。一个物体不仅在不断地辐射能量，而且还在不断地吸收能量。在可见光的照射下，黑漆的辐射率和吸收率接近相等，近似为1。而白漆的辐射率比吸收率高600倍。第四节热设计(续)第47页，共67页，2023年，2月20日，星期一

1．辐射定律

斯蒂芬——波尔兹曼定律告诉我们，若两个物体的表面温度分别为T1和T2，温度高的物体向温度低的物体辐射热量，此热量可通过下式计算:(19)

式中：T1—高温物体温度(K=0C+273)；T2--低温物体温度(K＝0C+273)；Q—辐射出的热量(cal/s)；e—辐射系数(无量纲)；

f—视野系数(无量纲，宇宙深空f＝1)；A—高温物体表面积(cm2)，σ—斯特芬——波尔兹曼常数,=1.355X10—13(cal／s·cm2．K4。两物体表面温度相同时，根据公式(19)，传递的热量为零。参数f、e、A之积很小时，射传递的热量也很小。不同外形的两物体表面辐射系数不同时，计算方法列入表4中。第四节热设计(续)第48页，共67页，2023年，2月20日，星期一第四节热设计(续)表4不同外形的两物体的辐射系数第49页，共67页，2023年，2月20日，星期一

2．提高热辐射的主要措施

（1）发热物体的表面越粗糙，热辐射的能力也越强。

一般常将发热元器件外的屏蔽罩壳涂有色漆，散热片表面涂黑色或有色粗糙漆。对热敏感元件，其表面常做成光亮白色，以减少吸收辐射热。对玻璃外壳的电子管，其辐射系数近似黑漆的辐射系数，一般不涂漆。

(2)加大辐射体与周围环境的温差。

(3)加大辐射体的表面面积第四节热设计(续)第50页，共67页，2023年，2月20日，星期一

工业仪表电磁兼容性是仪表的一个十分重要的指标。它包括个方面的含义：

一是指仪表内部各部分之间(包括电路、元器件、导线和机械构件等)，在电和磁的条件下相互兼顾和相容的能力；

二是指仪表和环境之间(包括周围的电子设备、电气设备、雷电等)，在电和磁的条件下，互相兼顾和相容的能力，这便是通常所谓的电子电路的电磁兼容性设计。

电磁干扰通常又称为噪声，当噪声达到一定幅值和一定强度，影响检测仪表或控制系统正常工作的“噪声”信号，被称为干扰。干扰在满足一定条件时可以消除，而噪声在一般情况下难以消除，只能减弱。

噪声形成干扰必需具备三个条件，即三要素。这三要素是：噪声源、对噪声敏感的接收电路、噪声源到接收电路之间的耦合通道。三要素之间的联系关系如图12所示。第五节电磁兼容性设计第51页，共67页，2023年，2月20日，星期一图12噪声形成干扰的三要素之间的联系显然，只要除去其中一个条件，电磁干扰就可以被除去，这正是电磁兼容性设计的基本出发点。一、噪声源

噪声源是多种多样的，常见的噪声源主要可归纳为三类。

1．固有噪声源

固有噪声源是指器件内部物理性的无规则波动所形成的噪声。它有热噪声、散粒噪声和接触噪声等。

(1)热噪声

任何电阻即使不与电源相接，在它的两端也存在着微弱的电压。这种电压是由于电阻中电子热运动所形成的噪声电压。第五节电磁兼容性设计（续）第52页，共67页，2023年，2月20日，星期一

由于电子热运动具有随机性质，所以电阻两端的热噪声电压也具有随机性质。而且它几乎覆盖整个频谱。这种由于电子热运动而出现在电阻两端的噪声电压称为热噪声。它决定了电路中噪声的下限。热噪声电压的有效值可表示为（20）式中k—波尔兹曼常数，其值为1.38X10-23(J/K)；T--绝对温度(K)；R—电阻值(Ω)；Δf—噪声带宽((Hz)。上式表明，热噪声电压与绝对温度、带宽和电阻值的平方根成比例。因此，减少电阻值、带宽和降低电阻的使用温度有利于降低热噪声。例如,现有一高输入阻抗放大器，输入电阻R＝1MΩ

，带宽Δf

＝500kHz，环境温度T＝300K，它的热噪声电压Ut为:

可见，若放大器输入为微伏级信号，则它将被热噪声所淹没。第五节电磁兼容性设计（续）第53页，共67页，2023年，2月20日，星期一

2)散粒噪声

散粒噪声存在于电子管和半导体两种元件中。在电子管里，散粒噪声来自阴极电子的随机发射；在半导体内，散粒噪声是通过晶体管基区载流子的随机扩散以及电子—空穴对的随机发生及其复合形成的。散粒噪声的方根噪声电流为:(21)

式中,q—电子电荷，其值为1.6╳10-10(C)；Idc—平均直流电流(A)；Δf—噪声带宽(Hz)。

3)接触噪声

接触噪声是由两种材料之间不完全接触，从而形成电导率的起伏而产生的。它发生在两个导体连接的地方，如继电器的接点、电位器的滑动触点等。平方根带宽的噪声电流If可近似地表示为

(22)

式中Idc—平均直流电流(A)；K—由材料和几何形状确定的常数；f—频率(Hz)；B—用中心频率f表示的带宽((Hz)。第五节电磁兼容性设计（续）第54页，共67页，2023年，2月20日，星期一

由上式可见，接触噪声正比于频率f平方根的倒数。因此，在低频电路时，接触噪声是重要噪声源。

2．人为干扰源

主要是指各种电气设备所产生的干扰，主要有以下几种。

(1)工频干扰。

大功率输电线是典型的工频噪声源。低电平的信号线只要有一段距离与输电线平行，就会受到明显的干扰，即使是一般室内的交流电源线，对于输入阻抗和灵敏度高的检测仪表来说也是很大的干扰源。

(2)射频干扰。

高频感应加热、高频焊接等工业电子设备以及电视、雷达等通过辐射或通过电源线会给附近的电子测量仪表带来干扰。

(3)电子开关。

由于电子通断的速度极快，使电路中的电压和电流发生急剧的变化，形成冲击脉冲，从而成为噪声干扰源。第五节电磁兼容性设计（续）第55页，共67页，2023年，2月20日，星期一3、自然干扰源和放电干扰

自然干扰主要是指气温和天电等因素造成的干扰。天电形成的干扰，主要是指各种自然放电现象。放电现象的起因不仅是天电，还有各种电气设备所造成的。主要的放电现象有：

(1)电晕放电。电晕放电主要来自高压输电线，具有间歇性质，产生脉冲电流，而且随着电晕放电过程还会出现高频振荡，这些都会形成干扰。

(2)火花放电。自然界的雷电，电机整流子炭刷上的电火花，接触器、继电器接点在闭合和断开时的电火花，电加工过程中的电火花以及高压器件由于绝缘不良引起的内烁放电等都是火花放电干扰。火花放电噪声可以通过直接辐射和电源电路向外传播，它可以在低频到高频范围内造成干扰。

(3)放电管放电。放电管放电属于辉光放电或弧光放电。通常放电管具有负阻特性，所以和外电路连接时很容易引起振荡，此振荡频率可达很高，它将造成对附近电路的干扰。第五节电磁兼容性设计（续）第56页，共67页，2023年，2月20日，星期一二、耦合方式

干扰源对电子设备的干扰是通过一定耦合形式进行的，无论是内部干扰或外部干扰，都是通过“路”(传输线路或电路)或“场”(静电场或交电磁场)耦合到被干扰设备中的。“路”的干扰引入方式主要是公共阻抗耦合。“场”的干扰引入方式有静电耦合感应，互感耦合感应、辐射电磁场感应等。

1．电场耦合一电容性耦合

两根导线之间的电容性耦合。

2．磁场耦合一电感性耦合

在任意载流电路周围空向中都会产生磁场。交变磁场则对其周围闭合电路产生感生电势。

3．共阻抗耦合

共阻抗耦合是由于电路之间有公共阻抗，当一个电路中有电流流过时，在公共阻抗上产生一个压降UN。这一压降UN对其它与公共阻抗相连的电路形成干扰电压。这种干扰耦合形式主要产生于下述几种情。第五节电磁兼容性设计（续）第57页，共67页，2023年，2月20日，星期一

(1)电源内阻抗的公共阻抗耦合干扰。

当用同一电源对几个电子线路供电时，高电平电路的输出电流流经电源，从而通过电源内阻抗变换成千扰电压，造成对其它低电平电路的干扰。

(2)公共接地线的耦合干扰。

在电子装置内部的接地线上，有各种信号电路的电流流过，并由接地线阻抗变换成电压，该电压就成为有关的各部分电路的干扰电压。对于多级放大电路来说，它实质上也是—·种寄生反馈。在数台电子装置的公共线接地时，若此线流过较大电流，也会通过接地线阻抗产生共阻抗耦合干扰。

(3)信号输出电路的相互干扰。

当电子装置的信号输出电路具有几路负载时，则任一个负载的变化都会通过输出阻抗的共阻抗耦合而影响其它输出电路。

(4)漏电流耦合。

它是由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰。第五节电磁兼容性设计（续）第58页，共67页，2023年，2月20日，星期一

(5)辐射电磁场耦合。

辐射电磁场，通常来源于大功率高频电气设备、广播发射台；电视发射台等。如果在辐射电磁场中放置一个导体，则在导体上产生正比于电场强度正的感应电动势。配电线特别是架空配电线都将在辐射电磁场中感应出干扰电动势，并通过供电线路侵入电子装置，造成干扰。在大功率广播发射机附近的强