可靠性和抗干扰设计汇总

各类产品常用的可靠性指标
使用条 件
连续使用
可修复
一次使用 不可修 复
可否 修复 维修 种类 产品 示例 常用 指示
不可修复
一定时间 后报废
实行预防 维修的零 部件、广 播设备用 电子管
可修复
预防维修
预防维修
事 后 用到耗 维修 损期
电子元器 件、机械 零件、一 般消费品 失效率、 平均寿命
电子系统、计 家 用 电 算机、通信机、 器、机 雷达、飞机、 械装置 生产设备 可靠度、有效 度、平均无故 障工作时间、 平均修复时间
• 在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止窜入干扰，建议采 用如下措施： • （1）单片机输入电源与强电设备动力电源分开。 • （2）采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。 • （3）交流进线端加低通滤波器，可滤掉高频干扰。安装时外壳要加 屏蔽并使其良好接地，滤波器的输入、输出引线必须相互隔离，以防 止感应和辐射耦合。直流输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波。 • （4）对于功率不大的小型或微型计算机系统，为了抑制电网电压起 伏的影响，可设置交流稳压器。 • （5）采用独立功能块单独供电，并用集成稳压块实现两级稳压。例 如主板电源先用7809稳压到9V，再用7805稳压到5V。 • （6）尽量提高接口器件的电源电压，提高接口的抗干扰能力。例如 用光耦合器输出端驱动直流继电器，选用直流24V继电器比6V继电器 效果好。
平均无故 障工作时 间、有效 寿命、有 效度
武器、过 保险丝、 载荷继电 闪光灯雷 器、救生 管 器具
失效率 , 更 换 寿 成功率 命
成功率
系统可靠性设计任务与方法
• 可靠性设计的任务
内部：元器件本身的性能与可靠性 系统结构设计 安装与调试 外部：电气条件 外部：空间条件 外部：机械条件
• 可靠性设计的一般方法
– 元器件级可靠性措施 – 部件及系统级的可靠性措施
元器件级可靠性措施
• • • • 严格管理元器件的购置、储运； 老化、筛选、测试 降额使用 选用集成度高的元器件
部件及系统级的可靠性措施
• • • • • • • 冗余技术 电磁兼容性设计 信息冗余技术 时间冗余技术 故障自动检测与诊断技术 软件可靠性技术 失效保险技术
常见干扰源
雷电
脉冲电路
ESD
直流电机、变频调速器 感性负载通断
• 电子消费类、数码产品中专门的静电阻抗器ESD（静电保 护元件）：电压范围为〈24V，极间电容有〈2.5pf的，响 应速度小于1ns，极低的漏电流，封装主要为0603和0402。 工作原理是：在电器正常工作过程中，ESD只是表现为容 值极低的(一般〈5pf)容抗特性，不会对正常的电器特性产 生影响,且不会影响到电子产品的信号及数据传输；当器 件两端的过电压达到预定的崩溃电压时，迅速（纳秒级） 做出反应，以几何级数的量放大极间漏电流通过，从而达 到吸收、减弱静电对电路特性的干扰和影响。 • 注意：压敏电阻的电容高（最低都在100μf以上），使它 在很多情况下不能在信号传输线路中使用。电容和导线电 感形成一个低通电路，会使信号极大地衰减。但频率大约 在30kHz以下的衰减可以忽略不计。但是对于要求通过 USB端口与计算机连接的大多数码产品来说，一旦连接端 口的电容值大于5pf时，往往会引起数据传输出错或失败。
• 2.软件“陷阱” • 从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使CPU偏离 预定的程序指针，进入未使用的 RAM 区和 ROM 区，引起 一些莫名其妙的现象，其中死循环和程序“飞掉”是常见 的。为了有效地排除这种干扰故障，常采用软件“陷阱” 法。这种方法的基本指导思想是，把系统存储器（RAM和 ROM ）中没有使用的单元用某一种重新启动的代码指令 填满，作为软件“陷阱”，以捕获“飞掉”的程序。一般 当CPU执行该条指令时，程序就自动转到某一起始地址， 从这一起始地址开始存放一段使程序重新恢复运行的热启 动程序，该热启动程序扫描现场的各种状态，并根据这些 状态判断程序应该转到系统程序的哪个入口，使系统重新 投入正常运行。
• 过程通道是系统输入、输出以及单片机之 间进行信息传输的路径。由于输入输出对 象与单片机之间的连接线长，容易串入干 扰，必须采用隔离技术、双绞线传输、阻 抗匹配等措施抑制。
利用双绞线抑制长线传输干扰
• 双绞线是较常用的一种传输线。与同轴电 缆相比，其波阻抗高、抗共模噪声能力强， 对电磁场具有一定抑制效果。 • 根据传送距离不同，双绞线使用方法不同， 见下表：
• 隔离 （光电、变压器、继电器） • 1. • 光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端之间进 行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。由于 光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出 的电信号进行直接耦合，而是借助于光作为媒介 物进行耦合的，因而具有较强的隔离和抗干扰能 力。在控制系统中，它既可以用作一般输入/输出 的隔离，也可以代替脉冲变压器起线路隔离与脉 冲放大作用。由于光电耦合器具有二极管、三极 管的电气特性，使它能方便地组合成各种电路； 又由于它靠光耦合传输信息，使它具有很强的抗 电磁干扰的能力，因而在机电一体化产品中获得 了极其广泛的应用。
可靠性和抗干扰设计
小型智能电子产品设计和制作
可靠性设计
• 可靠性定义及其定量描述 • 系统可靠性设计任务与方法 – 元器件级可靠性措施 – 部件及系统级的可靠性措施
可靠性定义及其定量描述
• 可靠性的经典定义：产品在规定条件下和 规定时间内，完成规定功能的能力。 • 描述可靠性的定量指标： • 1、可靠度 • 2、失效率 • 3、平均寿命
抗干扰的措施
• 硬件抗干扰：1、屏蔽 • 2、隔离 • 3、滤波 • 4、接地 • 软件抗干扰：1、软件滤波 • 2、陷阱 • 3、看门狗
硬件抗干扰的措施
• 屏蔽 • 屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状 或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围 起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合 通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽 的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、 磁场屏蔽和电磁场屏蔽。 • 电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合 引起的干、接收端都接有 负载电阻。 若发射侧为集电极开 路驱动，则接收侧的 集成电路用施密特型 电路，抗干扰能力更 强。 使用平衡输出的驱动 器和平衡输入的接收 器 发送和接收信号端都 要接匹配电阻。
示意图
5米以下
10米左右
数十米
印制电路板及电路的抗干扰设计
• 在单片机系统中，印制电路板的设计好坏对抗干 扰能力影响很大。印制电路板是用来支撑电路元 件，并提供电路元件和器件之间电气连接的重要 组件。为了减少干扰，在印制电路板设计过程中 必须遵循以下三大原则： • 尽量控制噪声源；
并联一点接地
• •
多点接地所需地线较多，一般适用 于低频信号。若电路工作频率较高，电感 分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰。 如下图所示，各接地点就近接于接地汇流 排或底座、外壳等金属构件上。
多点接地
软件抗干扰的措施
1. • • • • 用软件来识别有用信号和干扰信号 并滤除干扰信号的方法称为软件滤波。识 （1）时间原则。 （2）空间原则。 （3）属性原则。
形成干扰的基本要素
• 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。 • 传播路径，指干扰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。 • 敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A 变换器，单片机，数字IC， 弱信号放大器等。
干扰的耦合方式
• 干扰的耦合方式：直接耦合、公共阻抗耦合、电 容耦合、电磁感应耦合、辐射耦合、漏电偶耦合
磁场耦合
系统抗干扰设计的主要途经
• • • • • • • 精心选择元器件 元部件要精密调整 采用硬件抗干扰技术 采用软件抗干扰技术 1、数字滤波 2、信息传送过程的自动检测 3、系统运行状态监视与发生故障时的自动恢复
• 图 (a)所示为开关触点抖动抑制电路，用于触点抖动所引 起的干扰。图 (b)所示电路是交流信号抑制电路，主要用 于抑制电感性负载在切断电源瞬间所产生的反电势。图 (c)所示电路是输入信号的阻容滤波电路，可作为直流电 源的输入滤波器，也可作为模拟电路输入信号的阻容滤波 器。
• 接地 • 下图所示是并联一点接地方式。这 种方式在低频时是最适用的，因为各电路 的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗 有关，不会因地电流而引起各电路间的耦 合。这种方式的缺点是需要连很多根地线， 用起来比较麻烦。
尽量减小噪声的传播与耦合； 尽量增加噪声的吸收。
1、印制电路板大小
• 印制电路板大小要适中 如果印制电路板太大，会增加线路的阻 抗及成本，降低抗干扰能力；太小，则散 热不好，而且线路间干扰也会大大增加。
2、去耦电容1
• 合理配置去耦电容 （1）直流电源输入端应跨接10~100μF以上的 电解电容器。 • （2）原则上每个集成电路芯片的Vcc引脚都应 安置—个0.01μF的陶瓷电容器。也可每4~10个芯 片安置一个1~10μF的钽电容器。 • （3）对于抗噪声能力弱、关断时电流变化大的 器件和ROM、RAM等存储器件，应在芯片的电源 线 • （Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。
• 3、从安装和工艺 • a合理选择接地 • b 合理选择电源 , 合理选择电源对系统的 抗干扰能力也是至关重要的; • c 合理布局 , 系统的各个部分进行合理的 布局，能有效地防止电磁干扰的危害。
单片机系统的几点抗干扰技术
• 单片机系统抗干扰设计 • 印制电路板及电路的抗干扰设计
单片机抗干扰设计
• •
2. 对于交流信号的传输 , 一般使用变压器隔离干 扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件， 用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰 信号的强度，也就是把模拟地和数字地断开。传 输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不 形成回路而被抑制。 • 当含有直流或低频干扰的交流信号从一次侧端 输入时，根据变压器原理，二次侧输出的信号滤 掉了直流干扰，且低频干扰信号幅值也被大大衰 减，从而达到了抑制干扰的目的。
• 3.软件“看门狗” • “看门狗”（WATCHDOG）就是用硬件（或 软件）的办法使用监控定时器定时检查某段程序 或接口，当超过一定时间系统没有检查这段程序 或接口时，可以认定系统运行出错（干扰发生）， 可通过软件进行系统复位或按事先预定的方式运 行。“看门狗”是工业控制机普遍采用的一种软 件抗干扰措施。当侵入的尖峰电磁干扰使计算机 程序“飞掉”时， WATCHDOG 能够帮助系统自 动恢复正常运行。
电磁兼容性设计概念
• 所谓电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility, EMC）是指电子装置在预定 的工作环境条件下，既不受周围电磁场的 影响，也不影响周围的环境，不发生性能 变异或误动作，而按设计要求正常工作的 能力。
抗干扰设计
• • • • • 形成干扰的基本要素 干扰源与ESD 干扰的耦合方式 系统抗干扰设计的主要途经 单片机系统的几点抗干扰技术
系统抗干扰能力的措施
• 1、逻辑设计力求简单可靠 • 对于一个具体的机电一体化产品，在满 足生产工艺控制要求的前提下，逻辑设计 应尽量简单，以便节省元件，方便操作。
• 2、 • 由于干扰引起的误动作多是偶发性的， 因而应采取某种措施使这种偶发的误动作 不致直接影响系统的运行。因此，在总体 设计上必须设法使干扰造成的这种故障能 够尽快恢复正常。通常的方式是在硬件上 设置某些自动监测电路 , 这主要是为了对一 些薄弱环节加强监控，以便缩小故障范围， 增强整体的可靠性。
• 3. • 继电器线圈和触点仅有机械上的联系， 而没有直接的电的联系，因此可利用继电 器线圈接收电信号，而利用其触点控制和 传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔 离（如下图所示）。同时，继电器触点较 多，且其触点能承受较大的负载电流，因 此应用非常广泛。
• 滤波 • 滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干 扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号 的频谱宽得多，因而当接收器接收有用信号时， 也会接收到那些不希望有的干扰。 • 下图所示为计算机电源采用的一种 LC 低通滤 波器的接线图。含有瞬间高频干扰的 220V工频电 源通过截止频率为 50Hz的滤波器，其高频信号被 衰减，只有50Hz的工频信号通过滤波器到达电源 变压器，保证正常供电