模拟器硬件系统可靠性设计

模拟器硬件系统的可靠性设计
[摘要] 较全面地阐述了模拟器硬件系统可靠性设计的基本原则和方法,可供设计者参考。

[关键词] 可靠性干扰电磁兼容性
1. 引言
随着计算机的发展,模拟器开始在各个行业普及。

在大型模拟器中,由于硬件系统日趋复杂,为了保障模拟器的可靠运行,硬件系统的可靠性变得越来越重要。

本文从工程角度提出了可靠性设计的方法。

2. 硬件系统可靠性设计的基本原则
在整机系统设计和单元电路设计时,应力求简化设计方案,减少系统中元器件数量,以消除元器件失效形式和失效机理。

在产品设计时应该进行以下的分析,以有效提高可靠性。

2.1 简化设计方案
高性能指标不可避免地带来设计过程复杂性,因此,在确定设计方案时应综合考虑,全面分析,对整机各项技术性能、技术指标加以分类,合理选取确定,杜绝片面追求高性能与高指标的倾向,以简化设计方案。

对于硬件系统的自检功能的选取应特别谨慎,自检的加入必然带来硬件开销的急剧增加,但没有自检则硬件系统的维护难以实施。

在设计中可对主要电路自检,次要电路或人工容易测试的电路则应采用人工测试的方法。

人员参与自检,往往会大大的简化电路设计方案,笔者认为非常可取。

2.2 使用标准化电路
选取单元电路时尽可能利用已定型的标准化单元电路,甚至可以直接采用性能过硬的产品,特别是传感器的相应电路,更应谨慎选择。

2.3 选用集成电路
选用集成电路取代分立元件电路,由于集成电路焊点少、密封性好、其元件失效率比相同功能的离散分立元件电路低得多。

相比而言,核心器件采用军品或工业品性能价格比比较高,可靠性也更好。

2.4 选用数字电路
数字电路的标准化程度、稳定性等高于模拟电路,其漂移小、通用性强、接口参数范围宽、易匹配、可靠性高。

因此,在确定设计方案时,应尽可能选择数字电路取代模拟电路,使设计简化以提高整机可靠性。

3. 硬件系统可靠性设计的基本方法
3.1 降额设计
元器件的设计通常是保证元器件在使用时能承受一定的额定应力,降额使用就是使元器件在低于其额定值的应力条件下工作,合理的降额可以大幅度地降低元器件的失效率,在一定程度上提高了产品的可靠性水平。

3.1.1 电阻器的降额设计
电阻器的降额系数(工作功率应力)取sp=0.1～0.6,使用环境温度低于45℃,极限环境温度不大于65℃。

可变电阻器比固定电阻器
的通用失效率高1～2个数量级,如无必须,应尽量少选用。

3.1.2 电容器的降额设计
电容器的降额系数(工作电压压力)取sy<0.6,电解电容不要使
s=0,即电解电容器应在工作时加一定的正向直流电压,以防止电解质的逆向化学反应造成电极损坏而早期失效。

电容器的使用环境温度应保证其低于50℃,尤其电解电容不宜在高温环境条件下工作。

3.1.3 半导体器件的降额设计
半导体器件的降额应力系数取s<0.5,晶体三极管、稳压二极管、变容二极管工作耗散功率应力为sp,晶体二极管和光电半导体器件工作电流应力为si。

3.1.4 电感器件的降额设计
电感器件包括各类变压器及线圈,其降额系数(工作电流应力)取si=0.6～0.7,其降额应使热点温度不大于75℃,应尽量使热点温度在50℃以下,电源变压器的极限工作不应超过126℃,在湿热环境使用时,其降额系数的选取不应太小,以利于驱散器件内的潮气。

3.1.5 继电器的降额设计
继电器线圈绕组部分的降额设计与电感器件相同,继电器降额设计主要指接点工作电流的降额。

对于纯电阻负载的额定电流而言,其降额系数取si≤0.15,可保证在接通时的瞬间电流不大于其额定值;对于电感性负载,其降额系数取si≤0.3,若工作于脉冲开关工作状态应考虑设计接点保护电路。

3.1.6 接插件的降额设计
接插件的降额设计从以下两方面考虑:
1. 工作温度对接插件中的嵌入材料的影响。

实际使用时应使接插件的工作温度,尽量远离嵌入材料的极限温度;
2. 电流通过接点时,火花、发热对接点寿命的影响,接插件接点负载电流的降额设计同继电器接点在不同负载下的设计方法。

在中低频多接点接插件可采用两点或两点以上的多点并联工作方式,这样既可有效降额,又有降低冗余功能。

3.1.7 其它元件的降额设计
1. 开关的降额设计主要是开关功率的降额,同继电器接点降额设计方法一样。

2. 伺服电动机的主要失效形式为轴承失效和绕组失效,轴承负载降额和绕组功率降额,取降额系数s=0.3～0.8。

3. 塑料导线的降额设计主要是工作电流,降额系数si<0.7。

3.2 热设计
在电子设备中,功率损失通常以热能耗散的形式表现,任何具有电阻性的元件都是一个内部热源,热设计的正确与否及合理性将直接影响电子产品的工作稳定性和可靠性。

热设计必须满足2个条件,即系统和元器件的温度限制在一定的范围内,尽量使系统内部各点的温差最小。

充分利用机器自身的散热条件,减少外加的机动的散热方式,合理地降低可靠性设计成本。

其主要方法是电源变压器的安装位置靠近机箱壳体通风孔处,其周围尽可能大地留有一定空间。

大功率电阻及整流二极管不应紧贴印制电路板,其元件底部距
印制电路板元件安装面应大于1mm,集成稳压器ic及较大功率元件加装“u”型铝材散热器。

3.3 电磁兼容(emc)设计
电磁干扰的信号源可分为人为干扰源和自然干扰源两大类。

干扰信号有两种基本耦合方式,其一为传输耦合(路径干扰),其二为辐
射耦合(场干扰)。

切断路径和场干扰路径的基本方法是滤波,降低或消除公共电路的阻抗、屏蔽、隔离等。

1. 采用机内屏蔽以使电磁泄漏减少到最小程度,对于可能经电
源线引起的干扰设置电源滤波器,同时也防止电源线与设备间的分布电容,将干扰信号耦合到产品内部。

电源变压器加静电屏蔽,初次级线圈要有很好的电磁隔离,直流电源应注意去耦滤波。

2. 总体布局合理,将易受干扰的元、部件远离干扰源。

印制电路板在排版布线时要注意强弱信号的隔离,输入线和输出线的隔离,
可适当考虑屏蔽措施。

布线时应注意交流线路和直流线路严格分开,强电和弱电严格分开,不同电压和不同电流等级严格分开,输入输
出线严格分开。

特别注意高输入阻抗的输入端引线和大电流、高电压输出端线与邻近引线分开。

3. 电子产品的接地设计是指设备与地的联接及设备内部之间参考零电位之间的联接,以防止产品上电荷积累危害人身安全或引起火花放电;提供信号零参考电位构成信号通路,为屏蔽导体提供低
阻通路,抑制干扰。

为使各类信号自成回路,减少共阻抗耦合,采用如下接地设计方案:采用短粗地线或树枝形地线,高频单元电路的
印制线路板,尽量采用大面积接地的电路安装工艺,减少地线阻抗,提高屏蔽效果。

继电器触点的开关产生火花放电成为噪声干扰源,同时导致触点材料的蒸发、氧化、损耗变形,应设置安全火花电路。

数字地和模拟地要分开,最后一点共地。

地线要构成闭合回路。

4. 数字信号最好使用光电隔离器。

4. 小结
电子产品的设计方案利用可靠性增长设计原理,在满足整机各项设计指标的前提下力求设计方案最简。

在电子元器件的选型及降额使用时需要进行大量研究,力求在设计上保证使元器件的参数漂移对整机的影响程度降至最低,并通过热设计、电磁兼容设计等措施使整机的可靠性得到保证。

参考文献:
[1] 李海泉. 计算机的电磁干扰研究[j]. 计算机自动测量与控制. 2001. 9(6):1-3.
[2] 高文焕等. 模拟电路的计算机分析与设计[m]. 北京: 清
华大学出版社. 1999
[3] 蔡仁钢. 电磁兼容原理、设计和预测技术[m]. 北京: 北京航空航天出版社. 1996
[4] 马明建,周长城. 数据采集与处理[m]. 西安:西安交通大学出版社. 1998
[5] 马忠国,赵家贵. 检测技术[m]. 北京:中国计量出版社. 1997。