可靠性和抗干擾設計

1、可靠性和抗干擾設計小型智能電子產品設計和制作可靠性設計 可靠性定義及其定量描述 系統(tǒng)可靠性設計任務與方法 元器件級可靠性措施 部件及系統(tǒng)級的可靠性措施可靠性定義及其定量描述 可靠性的經典定義：產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力。 描述可靠性的定量指標： 1、可靠度 2、失效率 3、平均壽命各類產品常用的可靠性指標各類產品常用的可靠性指標使用條件連續(xù)使用一次使用可否修復可修復不可修復可修復不可修復維修種類預防維修事 后維修用到耗損期一定時間后報廢預防維修 產品示例電子系統(tǒng)、計算機、通信機、雷達、飛機、生產設備家 用 電器 、 機械裝置電子元器件、機械零件、一般消費品實 行 預 防維

2、 修 的 零部 件 、 廣播 設 備 用電子管武器、過載荷繼電器、救生器具保險絲、閃光燈雷管常用指示可靠度、有效度、平均無故障工作時間、平均修復時間平 均 無 故障 工 作 時間 、 有 效壽 命 、 有效度失效率、平均壽命失效率,更 換 壽命成功率成功率系統(tǒng)可靠性設計任務與方法 可靠性設計的任務內部：元器件本身的性能與可靠性 系統(tǒng)結構設計 安裝與調試外部：電氣條件外部：空間條件外部：機械條件 可靠性設計的一般方法 元器件級可靠性措施 部件及系統(tǒng)級的可靠性措施元器件級可靠性措施 嚴格管理元器件的購置、儲運； 老化、篩選、測試 降額使用 選用集成度高的元器件部件及系統(tǒng)級的可靠性措施 冗余技術 電

3、磁兼容性設計 信息冗余技術 時間冗余技術 故障自動檢測與診斷技術 軟件可靠性技術 失效保險技術電磁兼容性設計概念 所謂電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility, EMC）是指電子裝置在預定的工作環(huán)境條件下，既不受周圍電磁場的影響，也不影響周圍的環(huán)境，不發(fā)生性能變異或誤動作，而按設計要求正常工作的能力?？垢蓴_設計 形成干擾的基本要素 干擾源與ESD 干擾的耦合方式 系統(tǒng)抗干擾設計的主要途經 單片機系統(tǒng)的幾點抗干擾技術形成干擾的基本要素 干擾源，指產生干擾的元件、設備或信號，如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可 能成為干擾源。 傳播路徑，指干擾從干擾源傳播到

4、敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳 播路徑是通過導線的傳導和空間的輻射。 敏感器件，指容易被干擾的對象。如：A/D、D/A變換器，單片機，數字IC， 弱信號放大器等。常見干擾源雷電雷電脈沖電路脈沖電路ESD感性負載通斷感性負載通斷直流電機、變頻調速器直流電機、變頻調速器 電子消費類、數碼產品中專門的靜電阻抗器ESD（靜電保護元件）：電壓范圍為24V，極間電容有2.5pf的，響應速度小于1ns，極低的漏電流，封裝主要為0603和0402。工作原理是：在電器正常工作過程中，ESD只是表現為容值極低的(一般5pf)容抗特性，不會對正常的電器特性產生影響,且不會影響到電子產品的信號及數據傳輸；當器件兩

5、端的過電壓達到預定的崩潰電壓時，迅速（納秒級）做出反應，以幾何級數的量放大極間漏電流通過，從而達到吸收、減弱靜電對電路特性的干擾和影響。 注意：壓敏電阻的電容高（最低都在100f以上），使它在很多情況下不能在信號傳輸線路中使用。電容和導線電感形成一個低通電路，會使信號極大地衰減。但頻率大約在30kHz以下的衰減可以忽略不計。但是對于要求通過USB端口與計算機連接的大多數碼產品來說，一旦連接端口的電容值大于5pf時，往往會引起數據傳輸出錯或失敗。 干擾的耦合方式 干擾的耦合方式：直接耦合、公共阻抗耦合、電容耦合、電磁感應耦合、輻射耦合、漏電偶耦合磁場耦合系統(tǒng)抗干擾設計的主要途經 精心選擇元器件

6、元部件要精密調整 采用硬件抗干擾技術 采用軟件抗干擾技術 1、數字濾波 2、信息傳送過程的自動檢測 3、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視與發(fā)生故障時的自動恢復抗干擾的措施 硬件抗干擾：1、屏蔽 2、隔離 3、濾波 4、接地 軟件抗干擾：1、軟件濾波 2、陷阱 3、看門狗硬件抗干擾的措施 屏蔽 屏蔽是指利用導電或導磁材料制成的盒狀或殼狀屏蔽體，將干擾源或干擾對象包圍起來，從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場的性質不同，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。 電場屏蔽是為了消除或抑制由于電場耦合引起的干擾。12431芯線；2絕緣體；3外層導線；4絕緣外皮 隔離 （光電、變壓器

7、、繼電器）1.光電隔離光電隔離是以光作為媒介在隔離的兩端之間進行信號傳輸的，所用的器件是光電耦合器。由于光電耦合器在傳輸信息時，不是將其輸入和輸出的電信號進行直接耦合，而是借助于光作為媒介物進行耦合的，因而具有較強的隔離和抗干擾能力。在控制系統(tǒng)中，它既可以用作一般輸入/輸出的隔離，也可以代替脈沖變壓器起線路隔離與脈沖放大作用。由于光電耦合器具有二極管、三極管的電氣特性，使它能方便地組合成各種電路；又由于它靠光耦合傳輸信息，使它具有很強的抗電磁干擾的能力，因而在機電一體化產品中獲得了極其廣泛的應用。 2.變壓器隔離對于交流信號的傳輸,一般使用變壓器隔離干擾信號的辦法。隔離變壓器也是常用的隔離部件

8、，用來阻斷交流信號中的直流干擾和抑制低頻干擾信號的強度，也就是把模擬地和數字地斷開。傳輸信號通過變壓器獲得通路，而共模干擾由于不形成回路而被抑制。當含有直流或低頻干擾的交流信號從一次側端輸入時，根據變壓器原理，二次側輸出的信號濾掉了直流干擾，且低頻干擾信號幅值也被大大衰減，從而達到了抑制干擾的目的。 3.繼電器隔離繼電器線圈和觸點僅有機械上的聯系，而沒有直接的電的聯系，因此可利用繼電器線圈接收電信號，而利用其觸點控制和傳輸電信號，從而可實現強電和弱電的隔離（如下圖所示）。同時，繼電器觸點較多，且其觸點能承受較大的負載電流，因此應用非常廣泛。弱電電路強電電路繼電器 濾波濾波是抑制干擾傳導的一種重

9、要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號的頻譜寬得多，因而當接收器接收有用信號時，也會接收到那些不希望有的干擾。下圖所示為計算機電源采用的一種LC低通濾波器的接線圖。含有瞬間高頻干擾的220V工頻電源通過截止頻率為50Hz的濾波器，其高頻信號被衰減，只有50Hz的工頻信號通過濾波器到達電源變壓器，保證正常供電220V 圖 (a)所示為開關觸點抖動抑制電路，用于觸點抖動所引起的干擾。圖 (b)所示電路是交流信號抑制電路，主要用于抑制電感性負載在切斷電源瞬間所產生的反電勢。圖 (c)所示電路是輸入信號的阻容濾波電路，可作為直流電源的輸入濾波器，也可作為模擬電路輸入信號的阻容濾波器。

10、(a)(b)(c) 接地下圖所示是并聯一點接地方式。這種方式在低頻時是最適用的，因為各電路的地電位只與本電路的地電流和地線阻抗有關，不會因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點是需要連很多根地線，用起來比較麻煩。并聯一點接地電路1Ar3r2電路2電路3r1I1I2I3BC 多點接地多點接地所需地線較多，一般適用于低頻信號。若電路工作頻率較高，電感分量大，各地線間的互感耦合會增加干擾。如下圖所示，各接地點就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構件上。多點接地電路1電路2電路3R1R2R3L1L2L3軟件抗干擾的措施1.軟件濾波用軟件來識別有用信號和干擾信號并濾除干擾信號的方法稱為軟件濾波。識別

11、信號的原則有三種：（1）時間原則。 （2）空間原則。（3）屬性原則。 2.軟件“陷阱”從軟件的運行來看，瞬時電磁干擾可能會使CPU偏離預定的程序指針，進入未使用的RAM區(qū)和ROM區(qū)，引起一些莫名其妙的現象，其中死循環(huán)和程序“飛掉”是常見的。為了有效地排除這種干擾故障，常采用軟件“陷阱”法。這種方法的基本指導思想是，把系統(tǒng)存儲器（RAM和ROM）中沒有使用的單元用某一種重新啟動的代碼指令填滿，作為軟件“陷阱”，以捕獲“飛掉”的程序。一般當CPU執(zhí)行該條指令時，程序就自動轉到某一起始地址，從這一起始地址開始存放一段使程序重新恢復運行的熱啟動程序，該熱啟動程序掃描現場的各種狀態(tài)，并根據這些狀態(tài)判斷程

12、序應該轉到系統(tǒng)程序的哪個入口，使系統(tǒng)重新投入正常運行。 3.軟件“看門狗”“看門狗”（WATCHDOG）就是用硬件（或軟件）的辦法使用監(jiān)控定時器定時檢查某段程序或接口，當超過一定時間系統(tǒng)沒有檢查這段程序或接口時，可以認定系統(tǒng)運行出錯（干擾發(fā)生），可通過軟件進行系統(tǒng)復位或按事先預定的方式運行?！翱撮T狗”是工業(yè)控制機普遍采用的一種軟件抗干擾措施。當侵入的尖峰電磁干擾使計算機程序“飛掉”時，WATCHDOG能夠幫助系統(tǒng)自動恢復正常運行。系統(tǒng)抗干擾能力的措施 1、邏輯設計力求簡單可靠對于一個具體的機電一體化產品，在滿足生產工藝控制要求的前提下，邏輯設計應盡量簡單，以便節(jié)省元件，方便操作。 2、硬件自檢

13、測和軟件自恢復的設計由于干擾引起的誤動作多是偶發(fā)性的，因而應采取某種措施使這種偶發(fā)的誤動作不致直接影響系統(tǒng)的運行。因此，在總體設計上必須設法使干擾造成的這種故障能夠盡快恢復正常。通常的方式是在硬件上設置某些自動監(jiān)測電路,這主要是為了對一些薄弱環(huán)節(jié)加強監(jiān)控，以便縮小故障范圍，增強整體的可靠性。 3、從安裝和工藝 a合理選擇接地 b合理選擇電源,合理選擇電源對系統(tǒng)的抗干擾能力也是至關重要的; c合理布局,系統(tǒng)的各個部分進行合理的布局，能有效地防止電磁干擾的危害。單片機系統(tǒng)的幾點抗干擾技術 單片機系統(tǒng)抗干擾設計 印制電路板及電路的抗干擾設計單片機抗干擾設計在單片機系統(tǒng)中，為了提高供電系統(tǒng)的質量，防止

14、竄入干擾，建議采用如下措施：（1）單片機輸入電源與強電設備動力電源分開。（2）采用具有靜電屏蔽和抗電磁干擾的隔離電源變壓器。（3）交流進線端加低通濾波器，可濾掉高頻干擾。安裝時外殼要加屏蔽并使其良好接地，濾波器的輸入、輸出引線必須相互隔離，以防止感應和輻射耦合。直流輸出部分采用大容量電解電容進行平滑濾波。（4）對于功率不大的小型或微型計算機系統(tǒng)，為了抑制電網電壓起伏的影響，可設置交流穩(wěn)壓器。（5）采用獨立功能塊單獨供電，并用集成穩(wěn)壓塊實現兩級穩(wěn)壓。例如主板電源先用7809穩(wěn)壓到9V，再用7805穩(wěn)壓到5V。（6）盡量提高接口器件的電源電壓，提高接口的抗干擾能力。例如用光耦合器輸出端驅動直流繼電

15、器，選用直流24V繼電器比6V繼電器效果好。 過程通道是系統(tǒng)輸入、輸出以及單片機之間進行信息傳輸的路徑。由于輸入輸出對象與單片機之間的連接線長，容易串入干擾，必須采用隔離技術、雙絞線傳輸、阻抗匹配等措施抑制。利用雙絞線抑制長線傳輸干擾 雙絞線是較常用的一種傳輸線。與同軸電纜相比，其波阻抗高、抗共模噪聲能力強，對電磁場具有一定抑制效果。 根據傳送距離不同，雙絞線使用方法不同，見下表：距距 離離使用方法使用方法示意圖示意圖5米以下發(fā)送、接收端都接有負載電阻。若發(fā)射側為集電極開路驅動，則接收側的集成電路用施密特型電路，抗干擾能力更強。10米左右使用平衡輸出的驅動器和平衡輸入的接收器數十米發(fā)送和接收信

16、號端都要接匹配電阻。印制電路板及電路的抗干擾設計 在單片機系統(tǒng)中，印制電路板的設計好壞對抗干擾能力影響很大。印制電路板是用來支撐電路元件，并提供電路元件和器件之間電氣連接的重要組件。為了減少干擾，在印制電路板設計過程中必須遵循以下三大原則： 盡量控制噪聲源； 盡量減小噪聲的傳播與耦合； 盡量增加噪聲的吸收。1、印制電路板大小 印制電路板大小要適中 如果印制電路板太大，會增加線路的阻抗及成本，降低抗干擾能力；太小，則散熱不好，而且線路間干擾也會大大增加。 2、去耦電容、去耦電容1 合理配置去耦電容 （1）直流電源輸入端應跨接10100F以上的電解電容器。 （2）原則上每個集成電路芯片的Vcc引腳

17、都應安置個0.01F的陶瓷電容器。也可每410個芯片安置一個110F的鉭電容器。 （3）對于抗噪聲能力弱、關斷時電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲器件，應在芯片的電源線 （Vcc）和地線（GND）間直接接入去耦電容。2、去耦電容2 （4）電容引線不能太長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。 （5）在選用作為電路充電的儲能電容時，盡量采用大容量的鉭電容或聚脂電容，而不用電解電容。若使用電解電容則要與高頻特性好的去耦電容成對使用。如下圖所示為去耦電容的安裝位置圖。 3選擇時鐘頻率低的單片機及外部時鐘部件。 4元件的選擇盡量采用低速器件。 5對進入電路板的信號源及從高噪聲區(qū)來的信號要加濾波，繼電器線

18、圈處要加續(xù)流二極管。 6盡量不使用IC插座，而把IC直接焊在印制板上，這樣可減少IC插座間較大的分布電容。 7電源插接件與信號插接件要盡量遠離，主要信號的插接件外面最好帶有屏蔽。 在安排插針信號時，用一部分插針為接地針，均勻分布于各信號針之間，起到隔離干擾的作用。信號針與接地針理想的比例為1：1。印制電路板的合理布局 1元件布置要合理分區(qū)。 單片機應用系統(tǒng)通常可分三區(qū)，即模擬電路區(qū)（怕干擾）、 數字電路區(qū)（既怕干擾、又產生干擾）、功率驅動區(qū)（干擾源）。應將這三個區(qū)合理分開，使它們相互間的信號耦合最小。 2印制電路板要按單點接電源、單點接地的原則送電。三個區(qū)的電源線、地線由該點分三路引出。 3噪

19、聲元件與非噪聲元件要離得遠一些。 易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離計算機邏輯電路，如有可能，應另做電路板。 4時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端要盡量靠近，并遠離I/O線及接插件。 5I/O驅動器件、功率放大器件盡量靠近印制電路板的邊緣、靠近引出接插件。 6器件的布置上也應考慮到散熱。 最好把ROM、RAM、時鐘發(fā)生器等發(fā)熱較多的器件布置在印制板的偏上方部位（當印制板豎直安裝時）或易通風散熱的地方。單片機組件的參考布局如圖所示。印制電路板的合理布線 1正確處理電源線正確處理電源線 根據印制線路板電流的大小，盡量根據印制線路板電流的大小，盡量加加粗電源線寬度粗電源線寬度，減

20、少環(huán)路電阻。同時，使，減少環(huán)路電阻。同時，使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致。電源線和地線最好分別設計在致。電源線和地線最好分別設計在不同的不同的版面上版面上，以防雜物引起短路。，以防雜物引起短路。 2、正確處理地線、正確處理地線（1）正確選擇單點接地與多點接地。當信號）正確選擇單點接地與多點接地。當信號頻率小于頻率小于1MHz時，應盡時，應盡量采用單點并聯接地量采用單點并聯接地，實際布線有困難時，可部分串聯后再并聯接地；，實際布線有困難時，可部分串聯后再并聯接地；當當頻率大于頻率大于10MHz時，宜采用多點串聯接地時，宜采用多點串聯接地；當信號頻率在；當信號頻率在110MHz之間時，如地線長度不超過波長的之間時，如地線長度不超過波長的1/20，可用單點接地。，可用單點接地。3種接地方式如圖所示。種接地方式如圖所示。（2）將數字地、模擬地、電源地等分開走線，在一點上可靠連接。（3）接地線應盡量加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。一般接地線寬度應在23mm以上。地線、電源線與信號線的關系是：地線電源線信號線。（4）使數字電路的接地線形