【电路设计的可靠性】质量与可靠性

电路设计的可靠性

转自：北大未名站BBS

整理：段长亮

在系统方案设计时应遵循如下原则：

1. 简化方案

系统的可靠性是由组成系统的各个单元直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

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。

3. 合理划分软硬件功能

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。

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。

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。、元器件的合理选用

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。

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。

(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.

(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。

(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

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。

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。

(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。

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。

3. 电容器的选用

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。

(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。

(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。

(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。

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。

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。

在选择集成芯片时, 除器件具体功能外, 还需要考虑以下具有普遍性的因素。

(1)数字器件: 电源电压范围、信号状态与电平阀值、关门电阻、扇出系数、最高工作功率、单门延时、噪声容限、工作温度范围、功耗及封装等。 速度和功耗是数字器件的两个硬指标, 在很大程度上决定器件的使用范围，高速低功耗也是与计算机的发展相适应的。 在通用的数字器件中, 74LS系列的TTL 器件具有较快的速度, 但功耗相对较大; CMOS器件的电源范围较宽，抗干扰性能好, 但 速度不如74LS 系列的快; 74HC 则兼顾两者的优点, 具有74LS 的高速和CMOS 的低功耗, 在各项性能指标上均优于74LS 系列, 可完全替代74LS 系列的器件。许多超大规模的集成芯片如CPU 、可编程I/O芯片等存在着不同工艺制造的同类芯片, 应优先选择其中低功耗的CMOS 类型。

(2)模拟器件: 单电源还是双电源供电及电压范围、功耗、输入电阻、输入信号电压幅值、输出电阻、输出功率、截止频 率、增益、共模抑制比、线性度、噪声系数、温度漂移以及封装等。 模拟芯片的重点是要保证其精度和稳定性, 而影响精度和 稳定性的因素很多, 所以选择模拟集成芯片的难度比数字器件的要大。因此，在电路设计时, 能够用数字器件代替模拟器件的地方就尽量选用数字 器件。

总体上在选用基本元器件时, 应遵守以下原则:

(1)对所要使用的元器件的品种、规格、型号及生产厂家等 因素进行比较，列出元器件优选清单。如有条件, 最好做到定点供应, 以减小器件性能的分散性。

(2)不仅要根据电路功能要求选用元器件，还要根据到器件的性能参数。在设计和选用中, 应保证器件工作在电气和环境条件的额定值内。

(3)尽可能压缩系统器件的品种、规格，提高元器件的复用率。 (4)优先选用功能强、可靠性高的大规模集成芯片

三. 系统可靠性保障的其它问题

可靠性技术除了元器件选用和以后专门论述的电磁兼容性设计、故障自诊断和软件可靠性设计外，还有很多基本问题必 须考虑，限于篇幅及内容的涉及面,

仅在下面做以简单的介绍以提请注意。

1. 热设计

在微机化仪表中，功率损失多以热能耗散的形式表现出来，当系统工作时, 内部的温度就会升高; 同时, 系统的环境温度也影响其内部温度。由于许多元器件的失效与温度有密切的关系，所以热设计的正确与否是影响系统工作稳定性和可靠性的主要因素之一。

热设计包括散热、加热和制冷三大方面，对电子电路，通常考虑的是散热问题。 (1)对功率器件 要根据其对散热面积的要求使用散热片，条件允许时还可将功率器件安装在金属机壳上以增大散热面积并 直接对外散热。功率器件与散热片的接触应保证最佳的导热性能，必要时可使用散热胶以增加接触面的导热系数。

(2)合理安排元器件布局，功率发热器件应尽量安装于上部; 对温度敏感的元器件要远离系统内部的发热元件。电源通常是系统内部较大的热源，要安排好其位置并尽量使其直接向其直接向系统外部散热。垂直排列的电路板比水平叠加的散热效果要好。当系统工作时, 内部的温度就会升高; 同时, 系统的环境温度也影响其内部温度。由于许多元器件的失效与温度有密切的关系，所以热设计的 正确与否是影响系统工作稳定性和可靠性的主要因素之一。热设计包括散热、加热和制冷三大方面，对电子电路，通常 考虑的是散热问题。

(3)在防尘要求较低时, 可在机箱上开设通风孔。为系统整机或关键功率器件设置散热风扇的效果很好。

(4)不能单纯追求仪表体积的小型化, 否则会降低系统内部的散热效果。

(5)选择低功耗的器件也是热设计的要求，对于集成芯片，选择CMOS 型器件可以成数量级地减少器件的功耗。对于功率器件, 应选择内阻小的器件。

2. 容差与漂移设计

任何元器件、模块的参数间的配合都存在一定的“公差”和漂移 , 这个误差应控制在精度允许的范围内。但当该误差对 系统的影响超出了一定的限度，系统就会发生故障, 容差与漂移设计就是要减少这种不 可靠因素对系统的影响，其做法是通 过分析计算, 得到各个元器件、子系统参数变化对系统影响的程度，找出最优的元器件 参数组合，使误差和漂移对系统的影响最小。 这种设计思路

也常主动地被用来实现硬件的补偿设计, 如使用热敏电阻进行温度补 偿等。

3. 瞬态过应力的防护设计 微机化仪表工作在电源通、断的瞬间、脉冲信号输入等非连续的状态时，系统内部 电路会产生电压或电流脉冲，其幅值 或经某种形式的放大后的幅值，可能比正常信号高很多，形成浪涌电压或浪涌电流，超 过器件的额定应力值, 从而造成元器件的损坏。 对稳态系统的分析可借助理论或测试手段，相对简单; 对过渡过程的分析，则比较 困难，需要根据具体情况仔细地分析， 才能通过针对性地测试去确定可能产生瞬间过应力的单元。一般容性器件易产生浪涌电 流；而感性器件则易产生浪涌电压。 可能比正常信号高很多，形成浪涌电压或浪涌电流，超过器件的额定应力值, 从而造成 元器件的损坏。

4. 可维护性设计 可靠性包括增加MTBF 和减少MTTR 两个方面，可维护性设计就是要减少系统的MTTR, 属人机工程的范畴。以下是实际设计中常用的措施。 对关键部件及关键状态要设置测试点并予以表明，以便维护维修时测试。 对需 要调整的部件要提供方便，便于工具到达和调节。 功能插件采用规范的尺寸和安装结构形式，结构上应防止插反或插混等错误的操作 。 机箱和内部安排应考虑维修和安装的方便。 系统说明书中应附有常见故障的现象、原因和对策的说明，以便用户在力所能及的 范围内自行维护。对易损元器件应提供备件。

5. 电气互连的可靠性设计

电气互连主要指元器件的引脚焊点、模块间的接插件、总线插件等, 电气互连是电子电路中故障率较高的部分，因此, 也是可靠性设计时需要高度重视的部分。合理地设计系统模块、采用先进可靠的连接技术、选用质量可信的连接器件是电气互连 可靠性设计的要求。良好规范的电气互连设计也是可维护性设计的要求之一。

6. 机械防振设计

仪表系统在制造、运输、及实际使用中都会受到不同程度的机械振动, 有些车载、船载仪表系统更是始终工作在振动环境之下。振动会对仪表系统的元器件和整机结构造成机械性损坏，使系统在振动环境下不致 鸹 乃至正常运行的设计就是机械防振设计。机械防振设计的重点在系统接插件、系统模板和质量较大器件的固定。

7. 气候环境防护设计 气候环境是微机化仪表在制造、储藏和使用中都不可避免的影响因素，当某些环境因素影响较强而系统又无相应对策也是可靠性设计时需要高度重视的部分。 合理地设计系统模块、系统设计时, 必须根据系统可能工作的环境，进行气候环境保护设计; 在实际选用仪表时, 同一 类系统除了根据量程进行分档外，就是根据使用条件进行分档, 可见气候环境保护设计的 重要性。通常需要考虑的气候环境因 素是: 温度、湿度、气压、雨、雪、盐雾、腐蚀性气氛、沙尘及辐射等。才能通过针对性地测试去确定可能产生问题的地方