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.必须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;金属件的疲劳破坏等.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强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围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赖于使用设备的人.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须全面考虑.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,且色彩调和给人以好感,安装位置适当,能令操作者精神安宁,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)控制机构轻便,尽可能减少操纵者的体力消耗.指示系统清晰,便于观察,且长时间观察不易疲劳,也不损伤视力.从维护方便的角度出发,对结构设计提出以下要求:(1)在发生故障时,便于打开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.生产厂的设备情况,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,必须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.因为这样便于生产管理,有利于提高产品质量,降低成本.(2)设备中的机械零部件必须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贵重材料,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下列原则:(1)根据电路性能的要求和工作环境的条件选用合适的元器件,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)除特殊情况外,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)仔细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,所有标称阻值都必须符合标称阻值系列.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%),精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,电容器的耐压值应该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).它是表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,集电极和发射极之间允许加的最高反向电压.5.集成电路的主要技术参数1)TTL与非门集成电路的主要静态参数(1)输出高电平UOH.输出高电平UOH是指输入端有一个(或几个)为低电平时的输出电平.UOH典型值约为3.6V.(2)输出低电平UOL.输出低电平UOL是指在电路输出端接有额定负载(通常规定为带八个同类型的与非门负载)时,电路处于饱和导通状态时的输出电压.UOL一般应小于或等于0.35V.(3)输入短路电流IIS.输入短路电流IIS是指当任何一个输入端接地而其余输入端悬空时,流过该输入端的电流值.IIS应小于1.5mA,且越小越好.(4)输入漏电流IIH.输入漏电流IIH是指在电路中,当任一输入端接高电平,其余输入端接地时,流过接高电平输入端的电流.IIH应小于70μA,且越小越好.(5)开门电压UON.开门电压UON是指在电路输出端接有负载(通常规定为带八个同类型的与非门负载)时,使输出电压为低电平时的最小输入电压.一般UON应小于或等于1.8V,典型值为1.4V.(6)关门电压UOFF.关门电压UOFF是指输出电压值下降到规定值(即UON)的90%时的输入电压.一般UOFF应小于或等于0.8V,典型值为1V.2)数字集成电路的主要动态参数(1)平均传输延迟时间tpd.平均传输延迟时间是数字集成电路的一个重要动态参数.当门电路工作时,若输入一个脉冲信号,则输出脉冲会有一定的时间延迟,如图2.1所示.(2)导通延迟时间trd.导通延迟时间是从输入脉冲上升沿的50%起,到输出脉冲下降沿的50%为止这段时间间隔.(3)截止延迟时间tfd.截止延迟时间是从输出脉冲下降沿的50%起,到输出脉冲上升沿的50%为止这段时间间隔.图2.1数字集成电路的动态参数3)运算放大器的主要参数(1)开环电压增益Aud.开环电压增益Aud是指运算放大器处于开环状态并且没有外部反馈时,其输出(直流)电压增量与输入(直流)差模电压增量之比,即Aud=ΔUo/ΔUi=Uo/Ui.(2)共模抑制比CMRR.差模输入是指把输入信号电压加在运算放大器的两个输入端之间.(3)输入偏置电流IB.输入偏置电流IB是指运算放大器在没有输入信号时,流入双极型晶体管的基极电流或场效应晶体管的栅极漏电流.一般规定IB值是流入两个输入端的输入偏置电流之和的一半.(4)输入失调电流I