电子产品设计方法

电子产品设计方法电子产品•电子产品领域非常广泛，基本上我们日常生活都离不开电子产品，但电子产品到目前还没有明确的定义电子信息产品•《电子信息产品污染控制管理办法》第三条第一款给出了电子信息产品的定义•电子信息产品，是指采用电子信息技术制造的电子雷达产品、电子通信产品、广播电视产品、计算机产品、家用电子产品、电子测量仪器产品、电子专用产品、电子元器件产品、电子应用产品、电子材料产品等产品及其配件•随着技术的不断发展，其概念将会不断扩展电子产品设计基本原则：满足产品的功能特性及技术指标要求，同时兼顾：※成本低、性价比高※可靠性高、体积小※电磁兼容性好，环境的适应性强※集成度高，可维修性好※生产工艺要求简单一、设计原则二、电子产品设计的一般步骤三、产品设计的一般方法1、顶层设计法……2、底层设计法……过程与底层设计法相反3、顶层与底层综合设计实际工作过程中，一般首先采用顶层设计方法，根据产品的功能需求分解到各子功能模块，并分配各子功能模块的技术指标。这一过程往往需要经过从上到下和从下到上的反复论证、修改、优化才能满足设计的要求。4、现代电子产品的设计方法——EDA设计电路设计一般包含模拟电路与数字电路。模拟电路设计主要依赖于典型电路与功能模块。模拟电路数字化的趋势更加明显。如：数字接收机，数字储频。数字电路的发展经过了分离元件，SSL、MSL、LSL、VLSL。数字电路设计经历了逻辑设计、CAD、EDA。现代的数字系统广泛采用了基于芯片的EDA设计方法。四、电子产品设计的主要内容1、总体设计根据产品的设计任务、功能、性能的需求，一般采用顶层设计的方法，分析产品应该完成的功能，将总体功能分解成若干子功能模块，理清主、次功能的相互关系，形成总体方案。通过比较论证、修改、优化形成相对比较完善的最佳方案，同时提出有关结构、可靠性、标准化、质量控制与监督、计量控制、工艺等方面的要求。总体设计中的几个注意点：（1）技术指标如：重频跟踪器设计中，对被跟踪雷达信号的理解。（2）产品使用环境如：重频跟踪器中，同步信号丢失情况的补充。（3）产品的环境指标：温度、器件的选取、湿度（盐雾）、三防、振动等。（4）关键元器件的采购渠道例：89年MD8096的采购大功能MM波行波管，“巴统”的禁运条款（引进项目设备）（5）细节决定成败元器件的老化、筛选例：数字储频中某电容在-55℃~-50℃之间失败。（6）研制技术的风险一个产品的研制，一般都会存在技术上的难点。总体设计在于尽可能利用成熟技术来实现产品的功能，以减小研制风险。对于技术上的难点，应首先进行预先研究，待技术成熟以后再转入后续的研制。（7）产业政策与环境评估2、结构设计所谓结构，包括外部结构和内部结构两部分。外部结构指机柜、机箱、机架、底座、面板、底板等。内部结构指零部件的布局、安装、相互连接等。欲达到合理的结构设计，必须对整机的原理方案、使用条件和环境、整机的功能与技术指标及元器件等十分熟悉。根据产品的总体要求进行结构设计时，应根据电子产品使用的温度范围、环境因素，设计合理的结构形式和布局,考虑是否需要减震、“三防”等措施，特别是电路的散热问题,设计合理的风道等。因为：高温会引起电子产品的绝缘性能退化、元器件损坏、材料的热老化、低熔点焊缝开裂、焊点脱落等。温度对元器件的影响：一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降,一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95度，温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，进而使结温进一步升高，最终导致组件失效。因此，必须采用合理的散热方式控制产品内部所有电子元器件的温度，使其所处的工作环境温度不超过标准及规范所规定的最高温度，最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础，并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。也就是说热设计是电子设计中不可缺少的环节。3、可靠性设计产品的可靠性设计方法，从表面上看都是技术问题，但实质上包含技术和管理两个方面。首先要对产品的可靠性(MTBF）进行预测，以确定是否满足总体要求。1、电阻器降额外加功率、极限电压、极限应用温度三个指标，功率降额系数0.1—0.5；2、电容器降额外加电压、频率范围、温度极限三个指标，普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数0.3—0.7之间，钽电容的电压降额系数0.3以下；３、晶体三极管降额结温、集电极电流、任何电压指标，晶体二极管降额结温、正向电流及峰值、反向电压三个指标，功率降额0.4以下，反向耐压0.5以下，发光管电压降额0.6以下，功率降额0.6以下，功率开关管电压降额系数在0.6以下，电流降额系数在0.5以下；４、变压器降额工作电流、电压、温升（按绝缘等级）指标，电感和变压器的电流降额系数0.6以下；５、接插件降额电流、电压指标，根据触点间隙大小、直流及交流要求降额。接插件嵌入材料和火花发热对接点寿命的影响，在中低频多接点接插件采用两点或多点接地并联方式，降额和增加冗余功能；６、电缆导线降额指标：电流（铜线，≤7A/mm2）、电缆电压（尤其多芯电缆），塑料导线的电流降额0.7以下；７、电动机降额轴承负载、绕阻功率指标，伺服电机的轴承失效和绕组失效，轴承负载降额和绕组功率降额0.3—0.8；８、对电子元器件降额系数应随温度的增加而进一步降低。对有些指标是不能降额的：1、继电器的线包电流不能降额，而应保持在额定值左右（100±5%）；否则会影响继电器的可靠吸合。2、电阻器降低到10%以下对可靠性提高已经没有效果。3、对电容器降额应注意，对某些电容器降额水平太大，常引起低电平失效，交流应用要比直流应用降额幅度要大，随着频率增加降额幅度要随之增加。4、结构设计降额不能增加过大，否则造成设备体积、重量、经费的增加。4、电路设计在电路设计时应注意以下几方面的细节：ＴＴＬ器件的使用1)电源电压Ucc允许在5Ｖ10％范围内，超过该范围可能会损坏器件或使逻辑功能混乱。2)电源滤波TTL器件的高速切换，将产生电流跳变。其幅度约4—5mA，该电流在公共走线上的压降会引起噪声干扰。因此要尽量缩短与地线的距高来减小干扰。可在电源输入端并接1个100μF的电容作为低频滤波及1个0.01－0.1μF的电容作为高频滤波。3)输出端的连接不允许直接连5Ｖ或接地。除集电极开路(OC)门和三态(TS)门外，其它门电路的输出端不允许并联使用，否则会引起逻辑混乱或损坏器件。4)输入端的连接或门、或非门等TTL电路多余的输入端是不能悬空，只能接地，与门、与非门等TTL电路的多余输入端可以悬空(相当于接高电平)，但因悬空时对地呈现的阻抗很高，容易受到外界干扰。这时可将它们接电源或与其它输入端并联使用，以增加电路的可靠性，但与其它输入端并联时对信号的驱动电流要求增加了。CMOS器件的使用1)电源电压的要求电源电压不能接反。2)输出端的连接输出端不允许直接连接+VDD或地，除三态输出器件外，不允许两个器件的输出端连接使用。3)输入端的连接输入端的信号电压Vi应为VSS＜Vi＜VDD，超出该范围会损坏器件，可在输入端串接限流电阻。所有多余的输入端一律不准悬空，应按照逻辑要求直接连接+VDD或地。工作速度不高时允许输入端并联使用。4)CMOS电路具有很高的输入阻抗，易受外界干扰、冲击和静态击穿。应存放在导电容器内。焊接时应切断电源电压VDD．电烙铁外壳必须接地良好．必要时可以拔下烙铁电源，利用余热进行焊接。触发器的选用1)通常根据数字系统的时序关系正确选用触发器，除持殊功能外，一般在同一系统中选择具有相同触发方式的同类型触发器较好。2)工作速度要求较高的情况下，采用边沿触发方式的触发器较好。但速度越高，越易受外界干扰。上升沿触发还是下降沿触发．原则上没有优劣之分。如果是TTL电路的触发器．因为输出为低时的驱动能力远强于输出为高时的驱动能力，尤其是当集电极开路输出时上升边沿更差，为此选用下降沿触发更好些。3)触发器在使用前必须经过全面测试才能保证可靠性。使用时必须注意置位和复位脉冲的最小宽度及恢复时间。4)触发器翻转时的动态功耗远大于静态功耗，为此系统设计应尽可能避免同一封装内的触发器同时翻转(尤其是甚高速电路)。5)CMOS集成触发器与TTL集成触发器在逻辑功能、触发方式上基本相同。使用时不宜将这两种器件混合使用。因CMOS触发器内部电路结构及对触发时钟脉冲的要求与TTL存在较大差别。5、抗干扰设计在电子产品设计中，为了少走弯路和节省时间、成本，应充分考虑抗干扰要求，尽可能避免在设计甚至产品完成后再去进行抗干扰的补救措施。形成干扰的基本要素有三个：1)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。2)传播路径指干扰信号从干扰源传播到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。3)敏感器件指容易被干扰的对象，如：A/D、D/A、单片机、弱信号放大器等。抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。抑制干扰源的常用措施如下：1)继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后，继电器在单位时间内可动作更多的次数。2)在继电器接点两端并接火花抑制电路，减小电火花影响。3)给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。4)电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。5)可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声。切断干扰传播路径•干扰传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。•所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可通过光电耦合来解决。•电源噪声的危害最大，要特别注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线隔离和在敏感器件上加设屏蔽罩。•切断干扰传播路径及提高敏感器件的抗干扰性能的常用措施主要在PCB设计中加以考虑，