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| -- 作者：wangxinxin -- 发布时间：2010-12-17 11:46:02 -- 电路设计的可靠性 一、系统方案设计时的可靠性原则 ( j7 c, h4 W" B/ s. a/ |8 x7 @ 在研制一台微机化仪表时, 首先是根据系统的性能指标和功能要求决定系统的结构形式、划分软硬件的分工、确定具体 电路形式及元器件选型等设计工作, 系统的设计方案在很大程度上也就决定了系统的可 靠性。 ; d5 j6 b! y* y4 l1 Q 在系统方案设计时应遵循如下原则： 5 a; A H3 c+ y7 V5 i8 E7 q/ ~ 1.简化方案 系统的可靠性是由组成系统的各个单元只到每个元件的可靠性决定的，所以应该尽量提高元器件或独立单元的可靠性。 从失效率的角度, 系统的失效率是其所有组成元件的总和, 避免一个元件失效的最好方 法是在系统中省去这个元件。所以, 只要能满足系统的性能和功能指标，就尽可能地简化系统结构。当然，如果某种附加有 利于提高系统可靠性, 则是必要的,例如抗干扰设计、容错设计、雍余设计等。 2.避免片面追求高性能指标和过多的功能 ) n9 Z0 Y: _. e6 E% b6 c1 D: e 随著技术的发展, 产品的性能和功能 应该是越来越强的，但在一定阶段内和力所能及的技术条件下，应注意协调高指标 与可靠性的关系。如果给系统定下过高的指标，势必使系统复杂化, 一方面使用过多的 元器件, 直接降低了系统的可靠性；另一方面增加了设计中的不合理、不可靠隐患的机 会。 & @2 v# i! p. T1 f# h 3.合理划分软硬件功能 * g) S5 x5 t$ J- y& Q0 |! J\' g 这是微机化仪表特有的问题，由于微机的参与，软件在 数据处理、逻辑用分析、通信和分时处理等方面具有硬件难以比 拟的功能，而且软件在通过实践的验证后, 就不存在失效性的问题。在方案设计时, 能够方便地用软件完成的功能一定要坚 决地贯彻“以软代硬＂的原则。另一方面就微机化仪表而言,功能再强大的软件也需要硬 件的支持,如果软件担负的任务过多, 既增加开发的难度又不易保证软件的可靠性。所以需要合理地划分软硬件功能, “ 以软 代硬”至少要在CPU时间资源允许的 前提下进行。现在有很多可编程的集成芯片, 一方面简化了硬件电路，提高了其可靠性 , 另一方面又促成了更进一步“以软 代硬＂的可能。微机化仪表是由软件和硬件构成的，两者必然相辅相成, 不能偏废任何 一方。 3 H: F. l% r# N$ j6 A! C) ` 4.尽可能用数字电路代替模拟电路 数字电路稳定性好、抗干扰能力强、可标准化设计、易于器件集成制造。数字式集 成电路代替模拟式是电子技术发展的 一个趋势。另外, 还要尽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 、机械性能好、焊点少, 其失效率比同样功能的分离电路要低得多。 2 Z2 P& L: @8 j6 h! H% ~ 5.变被动为主动 影响系统可靠性的因素很多，在发生的时间和程度上的随机性 也很大，在设计方案时,对易遭受不可靠因素干扰的薄弱环 节应主动地采取可靠性保障措施，以免在问题发生时被动地应付。抗干扰技术和容错设 计是变被动为主动的两个重要手段。 二、元器件的合理选用 + N- [8 c1 A1 B& q 可以说, 系统的彻底失效都是以元器件的失效而告终的。所 以，在设计和研制微机化仪表时, 合理地使用元器件, 是保障系 统可靠性的基本技术。合理地使用一方面是指设计阶段, 根据应用条件，选择合适的器 件及其工作点; 另一方面是指研制阶段对 器件进行筛选，使用可靠的器件。下面讨论若干基本元器件的设计选用。 , Y# q# H& Y" P E. K9 ^/ x 1.分离半导体器件的使用 在电路设计时, 对分离器件主要从电应力、工作频率、型号 互换等方面考虑。 9 [% b# J4 }0 Q1 H) I( V+ B- x B (1)电压应力: 半导体器件均有其耐压的极限值 , 如三极管、极 限值等。 当所加的电压大于半导体器件的极限电压值时,将会 出现瞬时击穿或永久性击穿, 前者引起器件电参数的变化，后者使之突发性失效。除明 显的设计和调试错误外，器件性能的分散 性、连锁反应、感性负载等都是造成器件意外击穿的因素. $ p8 G ]$ c7 J# r/ Y* `, L (2)电流应力: 器件所承 受的最大电流 。半导体器件工作时， 因其自身电阻的存在，必然产生热量，在温度和电流的综合作用下，器件内温度超过极 限将导致失效。与电流应力密切相关的因 素是工作温度，所以工作温度较高时, 应考虑降低器件的参数等级, 或者采取良好的散 热措施。对于功率器件, 功率、温度、散热始终是设计时必须综合考虑的因素。 www.可靠性．com (3)工作频率：由于PN结的电容效应, 半导体器件有其工作频率的限制，一般多考虑 上限频率的影响，工作频率超过该极限 则器件的性能将下降甚至失效。另外也不亦用高频器件代替低频器件, 那样噪声系数将 增大。 (4)型号互换: 器件互换性有利于减少MTTR指标。互换时主 要考虑参数的匹配, 如额定工作电压、电流、功率、工作频率范围等。同样功能的分离 电路要低得多。 2.固定电阻和电位器 7 A) b3 e! N\' ?3 l 固定电阻和电位器可按照其制造材料分类，如合金型(线绕、 合金箔)、薄膜型(碳膜、金属膜)和合成型(合成实芯、合 成薄膜、玻璃釉)等, 随着电子技术的发展，新型品种也不断出现。 : }% Y8 i+ E3 W" n( n( I0 X% t+ C 在使用固定电阻和电 位器时, 应考虑下列事项: (1)阻值稳定性: 电阻的阻值会因其材料的“老化”而变化, 这是个缓变的过程。电 阻值更经常地受温度的影响，因此 在精密电路中, 电阻的温度漂移系数是个重要指标。 (2)工作频率：当电阻工作在高 频时, 其工作参数受分布 电容、趋肤效应、介质损耗及引线电感等因素影响而变化。5 a: k$ |" W& P (3)功率负荷: 当电阻器 件承受的功率超过额定值时, 将因 温度升高而失效。电阻器的额定功率也是与温度关联的指标，如果工作温度高于指定的 温度, 则应适当降低额定指标使用。 (4)噪声：在设计微弱信号前置放大器时, 电阻的噪声系数是一个值得重视的指标。 2 g3 {4 B% p# d. l$ } 在常见的电阻器件中, 碳膜、金属膜和精密合金箔电阻 的性能以次递增; 线绕电阻温度稳定性最好,常用于精密测量仪器中。在实际电路设计时 , 应参考国家技术标准和生产厂家 提供的资料, 按照上述事项进行取舍。另外选用时还要考虑器件的体积、安装形式等因 素的影响。 必须注意的是, 电位器无 论是性能指标还是可靠性，都比同类的固定电阻要差很多，一般其失效率比固定电阻要 大10~100倍。所以, 在电路中尽量少 用电位器，同时对某些可能因电位器失效造成严重故障的电路应采取相应的容错措施， 如开路、短路保护等。 4 m( r/ g- \\6 G4 F) ]. v# F 3.电容器的选用 + P# C; b6 B, L5 b: W7 D 电容器根据其介质材料的不同可分为无机介质、有机介质和电解介 质三类，若考虑具体的材料则种类众多、性能各异，电容器的选用可从以下方面考虑。 ) U1 H1 N% r3 K6 L9 [1 {. w& V (1)频率范围：电容器是工作在交流状态的，所以应首先考虑其频率特性。电容器由 于自身电感、引线电感的影响，存 在一个固有的谐振频率。为保证其容抗特性，必须使工作频率小于该谐振频率; 另外， 介质的频率特性也限制其应用的上限 频率。没有工作高、低特性皆好的电容器，瓷、云母介质的电容器是高频段器件; 有机 高分子聚合物多为中频段器件; 电解介质电容工作在低频段。 (2)容量稳定性: 温度和制造工艺会影响电容器容量的稳定性, 在频率谐振电路中, 对电容值的稳定性有较高的要求。在 高频段，云母介质优于瓷介质; 在低频段钽介质电容器优于铝电解电容器；单就稳定性 而言, 聚苯乙烯电容器最好。 (3)噪声性能: 电容器的漏电将产生噪声, 对于低噪声电路的电容器要选用损耗角正 切值小的电容器。常用的电解电容的噪声最大。 7 b2 K- i: O" S7 }# M7 s (4)电压负荷: 电容器承受直流电压的能力较强，但对于交流和脉动的电压则较弱, 一般随着频率的增大, 所能承受的额 定电压要下降。电解电容器、高分子聚合物电容器、无机介质电容器在这一指标上性能 递增。 ( |6 X% f1 ^\' e( j5 l (5)承受功率：对于用于电源滤波这类场合的电容器, 应该 考虑其承受功率负荷的问题, 当电流脉动较大时, 电容器的温度也会升高, 性能指标下 降, 最终导致被击穿失效。 ; o7 B0 M( G! y" Z o1 P* c# @0 | 电容器的选 用比电阻要复杂, 对电路性能和可靠性的影响也更直接更大。电容器的失效形式为漂移 、短路和开路等, 电容器的结构比电阻器复杂, 是失效率相对较高的器件。 ) ~ ^8 n/ p* |, F" n 4.集成芯片的选择 集成芯片随着微电子技术的发展，在品种、规模、性能和电性能参数等方面已达到了很高的水平，是电子电路中应用最 为广泛的器件。集成芯片是由成千上万个半导体单元在一块硅片上构成的电路，其专业化的设计充分考虑了电路的合理性和 可靠性，器件制造工艺先进、精密，所以集成芯片具有性能优越、稳定性好和分散性小等特点。另外，集成芯片封装紧密, 不易受环境的干扰。所以由集成芯片构成的电路比相应的分离器件电路在性能和可靠性上具有无可比拟的优势, 在仪表设计时应优先考虑使用集成芯片。 集成芯片可分模拟和数字两大类，具体品种繁多, 其选择应参考生产厂家提供的技术资料结合具体电路进行, 总的要求是外围器件的参数选择正确、整个电路工作在额定状态和条件下。 ( C$ ^- G$ s, ^0 R5 v; b. G7 [2 p |