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| -- 作者：wangxinxin -- 發(fā)布時間：2010-12-17 11:46:02 -- 電路設(shè)計的可靠性 一、系統(tǒng)方案設(shè)計時的可靠性原則 ( j7 c, h4 W" B/ s. a/ |8 x7 @ 在研制一臺微機化儀表時, 首先是根據(jù)系統(tǒng)的性能指標和功能要求決定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、劃分軟硬件的分工、確定具體 電路形式及元器件選型等設(shè)計工作, 系統(tǒng)的設(shè)計方案在很大程度上也就決定了系統(tǒng)的可 靠性。 ; d5 j6 b! y* y4 l1 Q 在系統(tǒng)方案設(shè)計時應(yīng)遵循如下原則： 5 a; A H3 c+ y7 V5 i8 E7 q/ ~ 1.簡化方案 系統(tǒng)的可靠性是由組成系統(tǒng)的各個單元只到每個元件的可靠性決定的，所以應(yīng)該盡量提高元器件或獨立單元的可靠性。 從失效率的角度, 系統(tǒng)的失效率是其所有組成元件的總和, 避免一個元件失效的最好方 法是在系統(tǒng)中省去這個元件。所以, 只要能滿足系統(tǒng)的性能和功能指標，就盡可能地簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。當然，如果某種附加有 利于提高系統(tǒng)可靠性, 則是必要的,例如抗干擾設(shè)計、容錯設(shè)計、雍余設(shè)計等。 2.避免片面追求高性能指標和過多的功能 ) n9 Z0 Y: _. e6 E% b6 c1 D: e 隨著技術(shù)的發(fā)展, 產(chǎn)品的性能和功能 應(yīng)該是越來越強的，但在一定階段內(nèi)和力所能及的技術(shù)條件下，應(yīng)注意協(xié)調(diào)高指標 與可靠性的關(guān)系。如果給系統(tǒng)定下過高的指標，勢必使系統(tǒng)復(fù)雜化, 一方面使用過多的 元器件, 直接降低了系統(tǒng)的可靠性；另一方面增加了設(shè)計中的不合理、不可靠隱患的機 會。 & @2 v# i! p. T1 f# h 3.合理劃分軟硬件功能 * g) S5 x5 t$ J- y& Q0 |! J\' g 這是微機化儀表特有的問題，由于微機的參與，軟件在 數(shù)據(jù)處理、邏輯用分析、通信和分時處理等方面具有硬件難以比 擬的功能，而且軟件在通過實踐的驗證后, 就不存在失效性的問題。在方案設(shè)計時, 能夠方便地用軟件完成的功能一定要堅 決地貫徹“以軟代硬＂的原則。另一方面就微機化儀表而言,功能再強大的軟件也需要硬 件的支持,如果軟件擔負的任務(wù)過多, 既增加開發(fā)的難度又不易保證軟件的可靠性。所以需要合理地劃分軟硬件功能, “ 以軟 代硬”至少要在CPU時間資源允許的 前提下進行。現(xiàn)在有很多可編程的集成芯片, 一方面簡化了硬件電路，提高了其可靠性 , 另一方面又促成了更進一步“以軟 代硬＂的可能。微機化儀表是由軟件和硬件構(gòu)成的，兩者必然相輔相成, 不能偏廢任何 一方。 3 H: F. l% r# N$ j6 A! C) ` 4.盡可能用數(shù)字電路代替模擬電路 數(shù)字電路穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、可標準化設(shè)計、易于器件集成制造。數(shù)字式集 成電路代替模擬式是電子技術(shù)發(fā)展的 一個趨勢。另外, 還要盡可能多地采用集成芯片且集成度越高越好，集成芯片密封性好 、機械性能好、焊點少, 其失效率比同樣功能的分離電路要低得多。 2 Z2 P& L: @8 j6 h! H% ~ 5.變被動為主動 影響系統(tǒng)可靠性的因素很多，在發(fā)生的時間和程度上的隨機性 也很大，在設(shè)計方案時,對易遭受不可靠因素干擾的薄弱環(huán) 節(jié)應(yīng)主動地采取可靠性保障措施，以免在問題發(fā)生時被動地應(yīng)付。抗干擾技術(shù)和容錯設(shè) 計是變被動為主動的兩個重要手段。 二、元器件的合理選用 + N- [8 c1 A1 B& q 可以說, 系統(tǒng)的徹底失效都是以元器件的失效而告終的。所 以，在設(shè)計和研制微機化儀表時, 合理地使用元器件, 是保障系 統(tǒng)可靠性的基本技術(shù)。合理地使用一方面是指設(shè)計階段, 根據(jù)應(yīng)用條件，選擇合適的器 件及其工作點; 另一方面是指研制階段對 器件進行篩選，使用可靠的器件。下面討論若干基本元器件的設(shè)計選用。 , Y# q# H& Y" P E. K9 ^/ x 1.分離半導(dǎo)體器件的使用 在電路設(shè)計時, 對分離器件主要從電應(yīng)力、工作頻率、型號 互換等方面考慮。 9 [% b# J4 }0 Q1 H) I( V+ B- x B (1)電壓應(yīng)力: 半導(dǎo)體器件均有其耐壓的極限值 , 如三極管、極 限值等。 當所加的電壓大于半導(dǎo)體器件的極限電壓值時,將會 出現(xiàn)瞬時擊穿或永久性擊穿, 前者引起器件電參數(shù)的變化，后者使之突發(fā)性失效。除明 顯的設(shè)計和調(diào)試錯誤外，器件性能的分散 性、連鎖反應(yīng)、感性負載等都是造成器件意外擊穿的因素. $ p8 G ]$ c7 J# r/ Y* `, L (2)電流應(yīng)力: 器件所承 受的最大電流 。半導(dǎo)體器件工作時， 因其自身電阻的存在，必然產(chǎn)生熱量，在溫度和電流的綜合作用下，器件內(nèi)溫度超過極 限將導(dǎo)致失效。與電流應(yīng)力密切相關(guān)的因 素是工作溫度，所以工作溫度較高時, 應(yīng)考慮降低器件的參數(shù)等級, 或者采取良好的散 熱措施。對于功率器件, 功率、溫度、散熱始終是設(shè)計時必須綜合考慮的因素。 www.可靠性．com (3)工作頻率：由于PN結(jié)的電容效應(yīng), 半導(dǎo)體器件有其工作頻率的限制，一般多考慮 上限頻率的影響，工作頻率超過該極限 則器件的性能將下降甚至失效。另外也不亦用高頻器件代替低頻器件, 那樣噪聲系數(shù)將 增大。 (4)型號互換: 器件互換性有利于減少MTTR指標。互換時主 要考慮參數(shù)的匹配, 如額定工作電壓、電流、功率、工作頻率范圍等。同樣功能的分離 電路要低得多。 2.固定電阻和電位器 7 A) b3 e! N\' ?3 l 固定電阻和電位器可按照其制造材料分類，如合金型(線繞、 合金箔)、薄膜型(碳膜、金屬膜)和合成型(合成實芯、合 成薄膜、玻璃釉)等, 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，新型品種也不斷出現(xiàn)。 : }% Y8 i+ E3 W" n( n( I0 X% t+ C 在使用固定電阻和電 位器時, 應(yīng)考慮下列事項: (1)阻值穩(wěn)定性: 電阻的阻值會因其材料的“老化”而變化, 這是個緩變的過程。電 阻值更經(jīng)常地受溫度的影響，因此 在精密電路中, 電阻的溫度漂移系數(shù)是個重要指標。 (2)工作頻率：當電阻工作在高 頻時, 其工作參數(shù)受分布 電容、趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗及引線電感等因素影響而變化。5 a: k$ |" W& P (3)功率負荷: 當電阻器 件承受的功率超過額定值時, 將因 溫度升高而失效。電阻器的額定功率也是與溫度關(guān)聯(lián)的指標，如果工作溫度高于指定的 溫度, 則應(yīng)適當降低額定指標使用。 (4)噪聲：在設(shè)計微弱信號前置放大器時, 電阻的噪聲系數(shù)是一個值得重視的指標。 2 g3 {4 B% p# d. l$ } 在常見的電阻器件中, 碳膜、金屬膜和精密合金箔電阻 的性能以次遞增; 線繞電阻溫度穩(wěn)定性最好,常用于精密測量儀器中。在實際電路設(shè)計時 , 應(yīng)參考國家技術(shù)標準和生產(chǎn)廠家 提供的資料, 按照上述事項進行取舍。另外選用時還要考慮器件的體積、安裝形式等因 素的影響。 必須注意的是, 電位器無 論是性能指標還是可靠性，都比同類的固定電阻要差很多，一般其失效率比固定電阻要 大10~100倍。所以, 在電路中盡量少 用電位器，同時對某些可能因電位器失效造成嚴重故障的電路應(yīng)采取相應(yīng)的容錯措施， 如開路、短路保護等。 4 m( r/ g- \\6 G4 F) ]. v# F 3.電容器的選用 + P# C; b6 B, L5 b: W7 D 電容器根據(jù)其介質(zhì)材料的不同可分為無機介質(zhì)、有機介質(zhì)和電解介 質(zhì)三類，若考慮具體的材料則種類眾多、性能各異，電容器的選用可從以下方面考慮。 ) U1 H1 N% r3 K6 L9 [1 {. w& V (1)頻率范圍：電容器是工作在交流狀態(tài)的，所以應(yīng)首先考慮其頻率特性。電容器由 于自身電感、引線電感的影響，存 在一個固有的諧振頻率。為保證其容抗特性，必須使工作頻率小于該諧振頻率; 另外， 介質(zhì)的頻率特性也限制其應(yīng)用的上限 頻率。沒有工作高、低特性皆好的電容器，瓷、云母介質(zhì)的電容器是高頻段器件; 有機 高分子聚合物多為中頻段器件; 電解介質(zhì)電容工作在低頻段。 (2)容量穩(wěn)定性: 溫度和制造工藝會影響電容器容量的穩(wěn)定性, 在頻率諧振電路中, 對電容值的穩(wěn)定性有較高的要求。在 高頻段，云母介質(zhì)優(yōu)于瓷介質(zhì); 在低頻段鉭介質(zhì)電容器優(yōu)于鋁電解電容器；單就穩(wěn)定性 而言, 聚苯乙烯電容器最好。 (3)噪聲性能: 電容器的漏電將產(chǎn)生噪聲, 對于低噪聲電路的電容器要選用損耗角正 切值小的電容器。常用的電解電容的噪聲最大。 7 b2 K- i: O" S7 }# M7 s (4)電壓負荷: 電容器承受直流電壓的能力較強，但對于交流和脈動的電壓則較弱, 一般隨著頻率的增大, 所能承受的額 定電壓要下降。電解電容器、高分子聚合物電容器、無機介質(zhì)電容器在這一指標上性能 遞增。 ( |6 X% f1 ^\' e( j5 l (5)承受功率：對于用于電源濾波這類場合的電容器, 應(yīng)該 考慮其承受功率負荷的問題, 當電流脈動較大時, 電容器的溫度也會升高, 性能指標下 降, 最終導(dǎo)致被擊穿失效。 ; o7 B0 M( G! y" Z o1 P* c# @0 | 電容器的選 用比電阻要復(fù)雜, 對電路性能和可靠性的影響也更直接更大。電容器的失效形式為漂移 、短路和開路等, 電容器的結(jié)構(gòu)比電阻器復(fù)雜, 是失效率相對較高的器件。 ) ~ ^8 n/ p* |, F" n 4.集成芯片的選擇 集成芯片隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，在品種、規(guī)模、性能和電性能參數(shù)等方面已達到了很高的水平，是電子電路中應(yīng)用最 為廣泛的器件。集成芯片是由成千上萬個半導(dǎo)體單元在一塊硅片上構(gòu)成的電路，其專業(yè)化的設(shè)計充分考慮了電路的合理性和 可靠性，器件制造工藝先進、精密，所以集成芯片具有性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好和分散性小等特點。另外，集成芯片封裝緊密, 不易受環(huán)境的干擾。所以由集成芯片構(gòu)成的電路比相應(yīng)的分離器件電路在性能和可靠性上具有無可比擬的優(yōu)勢, 在儀表設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先考慮使用集成芯片。 集成芯片可分模擬和數(shù)字兩大類，具體品種繁多, 其選擇應(yīng)參考生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)資料結(jié)合具體電路進行, 總的要求是外圍器件的參數(shù)選擇正確、整個電路工作在額定狀態(tài)和條件下。 ( C$ ^- G$ s, ^0 R5 v; b. 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