中北大学系统集成第五章电子系统的工程问题详解演示文稿

中北大学系统集成第五章电子系统的工程问题详解演示文稿当前1页，总共140页。（优选）中北大学系统集成第五章电子系统的工程问题当前2页，总共140页。5.2电子系统的抗干扰设计5.2.1电磁干扰与电磁兼容问题5.2.2干扰的类型5.2.3干扰传播的途径5.2.4干扰的主要形式5.2.5抗干扰设计方法当前3页，总共140页。5.2.1电磁干扰与电磁兼容问题

在工业测试现场存在着严重的干扰，如声、电、光、磁、振动，以及化学腐蚀、高温、高压等。这些干扰会对安装在工业现场的测量造成影响，轻则影响其精度，重则是系统无法工作。当前4页，总共140页。电磁干扰与电磁兼容概念

现代电子产品，功能越来越强大，线路也越复杂，电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）成了主要问题。 电子设备的周围充满了电磁干扰信号，而其本身对其他设备而言是一个干扰信号源。 提高设备的抗干扰能力，同时降低电子设备本身对周围电磁环境的污染，这就是电磁兼容(EMC)问题。

EMC=ElectroMagneticCompatibility的定义：在同一电磁环境中，设备能够不因为其它设备的干扰影响正常工作，同时也不对其它设备产生影响工作的干扰。电磁兼容设计就是针对电子产品中产生的电磁干扰进行优化设计，使之能成为符合各国或地区电磁兼容性标准的产品。（国标GB/T4365-1995）当前5页，总共140页。EMC认证产品的EMC认证是依据产品的电磁兼容标准和相应的技术要求，经过认证机构测试确认，并通过颁发认证证书和认证标志来证明某一产品符合相应标准和相应技术的要求。

在我国EMC认证已纳入3C认证范围(中国强制认证，英文名称为“ChinaCompulsoryCertification”，英文缩写为“CCC”，也可简称为“3C认证”)，国家对有强制性电磁兼容国家标准条款的产品实行安全认证制度，对这些实施电磁兼容安全认证的产品在进入流通领域实施强制性监督管理（没有进行电磁兼容安全认证就不能进入流通领域)。当前6页，总共140页。EMC结构图当前7页，总共140页。1）电源（专项测试）2）屏蔽（网状结构）3）接地4）结构导电性设备满足电磁兼容须具备：当前8页，总共140页。EMI：分传导干扰和辐射干扰 传导干扰：通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个网络。

辐射干扰：干扰源通过空间把信号耦合（干扰）到另一个电网络。 在高速系统中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其它系统或本系统内其它子系统的工作。

EMI和EMC问题当前9页，总共140页。辐射干扰

辐射包含两部分：产品向外的辐射和外界对产品的辐射（通过场传输） 影响： 辐射超标 抗干扰差当前10页，总共140页。传导干扰 传导包含两部分：产品向外的传导和外界对产品的传导（通过线传输）。

影响： 传导超标：通过导线影响其它产品的正常工作。 抗干扰差：容易被其它产品影响当前11页，总共140页。电磁干扰三要素

1)干扰源（能量源）

2)被干扰对象（接收器）

3)耦合路径解决电磁干扰的方法：屏蔽、接地、滤波干扰源接收器当前12页，总共140页。EMC测试 电磁屏蔽室电源滤波器通风板电缆接线板通风板分为传导测试和辐射测试当前13页，总共140页。EMC常规测试项目静电放电抗扰度GB/T17626.2;IEC61000-4-2电快速瞬变/脉冲群抗扰度GB/T17626.4;IEC61000-4-4辐射电磁场浪涌（雷击）抗扰度注入电流抗扰度电压暂降和短时中断抗扰度当前14页，总共140页。 电磁干扰（EMI）对电子设备可形成不同程度的危害，轻则可使设备的性能指标下降，重则可使设备不能正常工作，甚至可使机内较为脆弱的半导体器件击穿或烧毁。 在干燥的气候条件下，人体可带有上万伏的感应静电。此时，如果触摸甚至靠近MOS类高阻抗器件，很可能导致器件损坏。

防静电服、释放静电电磁干扰的危害当前15页，总共140页。

另外，过度的电磁干扰会危害人体健康，破坏生态平衡当前16页，总共140页。 举例：

使用手机会对电视机造成干扰，在电视画面上形成条纹； 冰箱的启动导致电脑的错误动作； 使用心电仪器时若有人使用手机会对仪器产生干扰； 客机在暴风雨中作紧急降落时其电子导航系统遭到电磁干扰可能失效；当前17页，总共140页。5.2.2干扰的类型

1)自然干扰源静电、雷电及来自外太空的电磁干扰（如宇宙射线、太阳黑子、耀斑）等。这些干扰信号常常造成通信、广播的中断，造成设备的损坏。 各类噪声有自己的时、空分布。

2)人为干扰源对电子设备本身无用的信号即为干扰信号，如电台发射的无线电波、继电器的切换噪声、汽车的点火电火花污染等。一、外部干扰当前18页，总共140页。典型设备承受的干扰当前19页，总共140页。热噪声：主要由导体内部自由电子无规则的热运动所产生的。这种噪声除了在超低温外是不可避免的，温升越低噪声越小，所以要尽量抑制温度的上升。感应噪声：由于电路元件或布线间的电磁感应而造成的各电路的相互干扰所引起的噪声。二、内部干扰当前20页，总共140页。信号失真引起的噪声：信号波形在电路中失真畸变而引起的噪声。自激振荡：具有放大功能的电路，其输出信号的一部分通过“寄生耦合”以正反馈的方式加到电路的输入端而产生不需要的自激振荡形成的噪声。等等内部干扰（续）当前21页，总共140页。5.2.3干扰传播的途径

干扰信号作用于电子设备，有传导和辐射两种途径。电子设备中的导线、元器件、结构体等都能形成传导和辐射耦合通道。 它们有时起着天线的作用，发射和接收干扰电磁波。

当前22页，总共140页。电磁干扰的传播途径：1、电场传播——电容耦合（原理）寄生电容当前23页，总共140页。2、磁场传播变压器原理当前24页，总共140页。

当接收电路距噪声源较远时（），噪声源主要通过辐射电磁场传播（天线效应），噪声电压为：式中：E——辐射场强度；

——天线有效高度；当接收导线垂直部分高度时，有效高度3、辐射电磁场传播当前25页，总共140页。

4、导线传播（介质传播）

（1）共电源噪声的传播 靠近电源输出端接入，

消除公共线路阻抗影响

（2）共接地线阻抗噪声的传播

大电流、小电流的地线一定要分开或单独接地当前26页，总共140页。5、信号输出电路的串扰A路I变化，产生UI，影响到B及C路。应避免大电流输出回路与其他输出回路并联工作。当前27页，总共140页。6、漏电流耦合

由于元件引脚、接线柱、印刷电路板、电容内部介质等都是有一定的绝缘电阻的，因此流过绝缘电阻的漏电流也会耦合干扰。特别是当漏电流流入高输入阻抗放大器的输入级时，影响特别严重。当前28页，总共140页。干扰的主要形式 1、空间干扰

空间干扰主要指电磁场在线路、导体、壳体上的辐射而引起的噪声。干扰来自于系统的内部和外部，系统本身既可能接受外来干扰也可能对外产生空间干扰。空间干扰强度上小于过程通道干扰和供电系统干扰，空间干扰可用良好的屏蔽、正确的接地和布局设计解决。

当前29页，总共140页。2．过程通道干扰 过程通道是电子系统相互通道进行信息传输的路径。长线传输是干扰产生的主要原因。当传输线上的信息为脉冲波时，传输线会出现延迟、畸变、衰减与通道干扰耦合(串扰)，还接收空间电磁场的干扰。 为保证长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离、双绞线传输、同轴电缆传输、阻抗匹配及屏蔽等解决干扰问题。串模干扰模型当前30页，总共140页。3．供电系统干扰

电子系统中最重要、危害最严重的干扰来自供电系统干扰。由于任何电源及线路都存在内阻，所以电网中出现的各种干扰信号都可能对电网中的各种设备包括电子系统产生干扰。

例如:大功率设备，大感性负载设备的启停使电网电压大幅度涨落（浪涌），欠压或过压常常达到额定电压的15%以上。 供电系统干扰问题通过稳压、隔离、滤波等措施加以解决。当前31页，总共140页。5.2.4抗干扰设计方法

不同的干扰要采用不同的抗干扰办法。 电子系统抗干扰设计分为硬件和软件

软件抗干扰使用灵活、成本低廉，但增加了软件编程工作量和CPU运行时间，而且对于某些干扰也难以消除，因此，在系统抗干扰设计时应将软、硬件抗干扰措施有机地结合起来，使它们相辅相成，保证系统运行的可靠性。当前32页，总共140页。

1．硬件抗干扰措施（根据干扰形式） (1)切断来自电源的干扰

任何电源及输电线路都存在内阻，内阻是引起了电源的噪声干扰。(如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸收，在线路中不会建立起任何干扰电压) 电子系统中危害最严重的干扰源来源于电源。在某些大功率设备的电网中，对电源检测，在50周正弦波上叠加有1000多伏的尖峰电压。当前33页，总共140页。常见交流电源噪声种类（1）过压、欠压（2）浪涌（>10％～15％），（3）尖峰电压（4）射频干扰可采用交流滤波器+交流稳压器当前34页，总共140页。基本措施:

（1）交流进线端加交流滤波器。滤掉高频干扰，如电网上大功率设备启停造成的瞬间干扰。

滤波器安装要加屏蔽并良好接地，进出线要分开，防止感应和辐射耦合。低通滤波器仅允许50Hz交流电通过，对高频和中频干扰有良好的衰减作用。

（2）要求高的系统加交流稳压器。

（3）隔离变压器、桥式整流当前35页，总共140页。

（4）采用集成稳压器进行稳压

注意稳压器的压降参数(LDO),可采用低压差

（5）直流输出采用大容量电解电容进行平滑滤波。

（6）交流电源线与其他线尽量分开，减少耦合干扰。交流电源线与直流电源线及信号线分开走线。

典型线形电源设计开关电源设计：EMI滤波+DC-DC+电容电感等滤波当前36页，总共140页。(2)切断来自过程通道的干扰（隔离与匹配）

①模拟信号通过隔离放大器进行隔离。由于切断了系统与外界的一切电的传输联系，因而过程通道中的干扰可以被有效地消除。（隔离运放） ②数字信号采用光电耦合器隔离，隔离过程通道中的干扰信号，特别是用于不同接地电位的系统之间的信号传输，如下图所示。当前37页，总共140页。③采用变压器隔离（射频）驱动大电流用继电器隔离分为机械和固态当前38页，总共140页。

④模拟地和数字地分开，避免公共地阻抗对模拟信号和数字信号产生耦合作用。

⑤

用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗干扰能力。这是因为干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流而被抑制。 光电耦合器就是工作在电流状态，干扰信号产生的弱电流无法形成足够的光通量，因而传输中断。

当前39页，总共140页。

⑥

采用双绞线或同轴电缆传输。使用平行线时，当信号线周围电磁场发生变化，信号线上就感应了干扰噪声： （1）图(a)所示，使用双绞线传输时，双绞线能使各个小环路的电磁感应干扰相互抵消，故对电磁场变化引起的干扰具有一定的抑制效果。（共模干扰） （2）图

(b)是使用同轴电缆传输示意图，由于同轴电缆外壳有屏蔽作用，只要注意正确接地，就可以有效地抑制电磁干扰。目前流行光纤传输当前40页，总共140页。

⑦

长线传输的阻抗匹配。长线传输时，阻抗不匹配的传输线会产生反射，使信号出现畸变、衰减，导致信号失真。为了对传输线进行阻抗匹配，必须估算出它的特性阻抗。（主要针对高频）

⑧

注意元件的安装位置与角度。特别是变压器、电感线圈等产生的磁场因具有特定的方向性，应考虑它们对其他电路的影响。当前41页，总共140页。

⑨滤波采用滤波器使信号与干扰在频谱上分离。为了减少宽带噪声干扰，在可能条件下，使电路的各个环节做成窄带，以限制噪声。当前42页，总共140页。 高频电源、交流电源、强电设备产生的电火花甚至雷电，都能产生电磁波，从而成为电磁干扰的噪声源。 当距离较近时，电磁波会通过分布电容和电感耦合到信号回路而形成电磁干扰；当距离较远时，电磁波则以辐射形式构成干扰。解决方法：屏蔽 屏蔽技术的基本原理时把电路线和磁力线的影响限制在某一个范围，即隔离“场”的耦合。 常用低电阻的金属材料（如铜和铝）制成一个空腔的金属盒，将电路置于屏蔽盒，并将屏蔽盒良好接地。⑩屏蔽技术当前43页，总共140页。

(3)抑制空间干扰（屏蔽与接地）

①加大印刷板间的间隔，加大导线间、元器件间的间隔，导线之间添加接地线等。②系统中敏感部件远离开关功率源。③长线传输使用同轴电缆或屏蔽线。④使用金属机壳并接地屏蔽，若采用塑料机壳，应在内层涂金属作为屏蔽层。

当前44页，总共140页。 ①接地设计:

地的分类：信号地，电源地，大地（安全地、屏蔽地）等。安全地：防止发生人身伤害事故而将机壳接大地当前45页，总共140页。信号接地方式悬浮地、一点接地，多点接地、混合接地地：地是信号的参考电位，以地为0电平，理想的情况下地线上任两点间的电位差为零，但实际上地线仍然要用金属导体来实现，不可避免的存在导线的阻抗，地线是信号回路的一部分，是信号电流回流的必经之路，这样就在地线上形成了电位差。当各种信号电流流经同一地线阻抗时，形成了公共阻抗干扰。为了减少地线引起的干扰，采用合适的接地方式。当前46页，总共140页。高电压、大电流最好靠近电源输出端当前47页，总共140页。当前48页，总共140页。

PCB接地总结:主要防止电路中的公共地线电阻引起干扰，正确的接地与屏蔽可以解决大部分的干扰问题：

(a)单点接地与多点接地选择。 在低频电路中，导线与元器件间的电感影响较小，采用一点接地； 在高频电路中，地线电流大，应尽量降低地线阻抗形成地平面，并采用就近多点接地法。

(b)数字信号地与模拟信号地分开连接，最终单点相连，消除地电路经过公共阻抗而产生的干扰。

(c)接地线尽量加粗，尽可能减小地线阻抗，从而减小公共阻抗耦合而产生的干扰。

当前49页，总共140页。

②电源线布置 根据电流的大小尽量加大线条宽度； 利用电源线高频阻抗小的特点，将它与逻辑信号线平行布线，以起到与地线相似的隔离作用。但电源线应远离敏感信号线，以减少干扰。 ③配置去耦电容在印刷电路板的各个关键部位配置去耦电容是印刷电路板设计的一项常规做法，它包括以下几个方面：

(a)在电路板电源输入端跨接一个10~100uF(或更大)的电解电容，消除电源中的低频干扰。

(b)在每个关键集成电路芯片的电源输入端跨接一个0.01uF的贴片电容或瓷片电容，消除电源中的高频干扰。

(c)去耦电容的引线不能太长，特别是高频旁路电容不能有长引线。当前50页，总共140页。

④印刷电路板尺寸与器件布置印刷电路板过大时，印刷线条长，阻抗增加，不仅抗干扰能力下降，而且成本提高； 过小，散热不好，且易受邻近线条干扰。 元器件布置应遵循以下原则：

(a)相关器件应尽量放得靠近些。例如：晶振和时钟信号输入端应相互靠近些，最好有地线跟随。

(b)敏感电路应远离大电流噪声电路。例如：信号线与其他器件应尽量远离晶振或大功率器件;控制电路与驱动电路分板制作。

当前51页，总共140页。电磁兼容控制的一般策略表当前52页，总共140页。高频布线的抗干扰问题（50MHz以上）

具有微处理器的电子系统，抗干扰和电磁兼容是主要设计要点，特别对于时钟频率高、大功率、大电流、含微弱信号、高精度AD系统，措施：

1）控制器性能满足要求，时钟频率越低越好。方波包含各种频率成分，高频部分可能就是噪声源，时钟频率的3倍高频噪声最危险(信号完整性)

2）高频信号在铜膜线传输时，会发生畸变，所以铜膜线越短越好

3）高频信号会对其它高输入阻抗的信号产生干扰，需要对弱信号隔离当前53页，总共140页。 4）高频情况下，铜膜线、焊盘、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感需要考虑

5）电路板以外的引线需要屏蔽，高频信号的屏蔽层两端须接地 6)就近多点接地。地线上具有电感，增加了地线阻抗，同时各地线之间会产生电感耦合。当频率高时，特别是当地线长度等于1／4波长的奇数倍时，地线阻抗就会变得很高，地线变成了天线，会向外辐射噪声。(多层板设计)当前54页，总共140页。2．软件抗干扰措施 电子系统中，干扰源常常使电子系统不能正常运行，软件抗干扰不能完全消除干扰，把硬件抗干扰和软件抗干扰结合起来。在电子系统中常用的软件抗干扰措施有以下几种：

当前55页，总共140页。 (1)数字滤波（FIR）

在数采系统中，干扰信号叠加在信号上使数据采集的误差加大，特别是传感器信号为小信号输入，干扰现象尤为严重。 抑制干扰常用的方法是硬件电路进行滤波，要获得较好的抑制效果，硬件电路须十分复杂。采用软件实现滤波（数字滤波）则是当前干扰抑制技术中的一种新技术，数字滤波常用的方法有以下几种：

①程序判断滤波

这种滤波方法是根据人们的经验，确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差

，若本次输入信号与上次输入信号的偏差超过，就放弃本次采样值，仅当小于此偏差值时才作为本次采样值。当前56页，总共140页。②中值滤波（牺牲采样率）

对一个采样点连续采集多个信号，取其中间值作为本次采样值。③算术平均滤波法（牺牲采样率）

对一个采样点连续采样多次，计算其平均值，以其平均值作为该点采样结果，即

其中:——第k次N个采样值的算术平均值；——第k次采样点的第i次采样值：N——每一个采样点的采样次数。当前57页，总共140页。④

一阶递推数字滤波这种方法是利用软件完成RC低通滤波器的算法，实现用软件方法替代硬件RC滤波器。一阶递推数字滤波公式为

其中：Q——滤波平滑系数，取值范围为O＜Q＜1；

——本次采样值；

——上次滤波结果输出值；

——本次滤波结果输出值。

当前58页，总共140页。(2)设置自检程序 软件中加自检程序，在系统运行前和运行中不断测试电子系统内部的运行状态，对出现的错误状态进行及时处理，以保证系统运行的可靠性。(3)设置监视定时器 使用监视定时器中断来监视程序运行状态的抗干扰措施。定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环的时间，在主程序中加入对定时器时间常数刷新操作；只要程序正常运行，定时器就不会出现定时中断；当程序失常时，定时器因不能得到刷新而导致定时中断，利用定时器中断产生的信号将系统复位，或利用定时器中断服务程序作相应的处理，使系统恢复正常运行。(4)软件消抖动、校验纠错等当前59页，总共140页。 优点：

1）软件抗干扰降低了系统成本又提高了系统的可靠性。 2）软件抗干扰编写灵活、方便，可以随时改变选择的算法或改变参数。

缺点：

1）增加了CPU的运行时间，不适用于速度要求较高的应用场合。 2）局限性，对于某些干扰也难以奏效，不可能完全取代硬件抗干扰措施 因此，应根据实际情况权衡利弊，选择使用软、硬件抗干扰措施。总结当前60页，总共140页。5.3电子设备热设计 原因：能量消耗转变成热消耗 定义：利用热传递技术，降低发热元器件(例如电子管、功率晶体管和大功率电阻等)和部件(例如电源变压器等)本身的温度，使电子设备整机内部温升降低到所要求的范围，以提高设备抗温度应力的能力，这种可靠性设计叫做热设计。当前61页，总共140页。

电子器件的故障与其工作温度有密切关系：

对温度最为敏感： 半导体器件和微电路，故障率随温度的增加而指数地上升。如:硅PNP型晶体管，高低温失效率之比为6:1当前62页，总共140页。热对系统可靠性的影响统计（1）电子设备的失效原因中有55％是由于温度过高引起的。（2）电子元器件温度每升高10℃，其可靠性下降一倍。摘自美空军整体计划分析报告当前63页，总共140页。热量产生的原因电子设备经受的热应力来源于以下几个方面：（1）工作过程中，功率元件耗散的热量。（2）电子设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量传递给电子设备。（3）电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。

当前64页，总共140页。热设计目的

电子设备热设计目的：利用热传递特性对电子设备的耗热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计，以对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、可靠地工作。当前65页，总共140页。热设计原则 热设计满足两个条件:把产品的温度限制在某一最大和最小的范围内（以器件工作温度为准）；尽量使电子设备内各点之间的温差最小。

1）电子设备（包括器件）的热特性

2）发热功率

3）散热面积 4）最高允许的工作温度和储存温度当前66页，总共140页。热设计要求：

1）满足性能要求下，尽可能减少仪器内部热量

2）降低设备热阻

3）保证设备和器件在较低温度下工作，减少参数飘移热传递的方式：传导、对流、辐射。一般来说，这三种形式在电子系统的热传输中所占的比例分别为60％、20％、20％。当前67页，总共140页。 针对电子设备热产生机理和传播方式，常用的热设计有3种： 一、热源处理

1.1降额使用 元器件工作在低于元件额定参数（功率、电压、电流）的条件下，以提高使用寿命(不同器件降额参数不同) 低功率器件选型举例：片状电阻、线绕电阻(少用碳膜电阻)、独石电容、钽电容(少用纸介电容)、MOS/CMOS电路(少用TTL)…当前68页，总共140页。1.2特种元器件温度补偿与控制

1）选用温度不敏感的元器件

2）选用特定温度系数的元器件(收敛)1.3合理设计印制电路板结构 1）印制板上电源线、地线、信号线的走线要合理，电路板上导线用金、银、铜制成，以减小导线电阻，减少热源

2）采用多层板制作，使电源线、地线、控制线独自一体，各占一面，外加散热装置，充分利用热传导

3）发热高、辐射大的元件可专门设计安装在一块印制板上，密封、隔离 当前69页，总共140页。二热阻处理 热阻用来说明发热元件向外环境的热转换能力。 定义：热量在热流路径上遇到的阻力。温差越大，热流量就越大。△T＝RQ热阻的单位是℃/W。 热阻与传导路径长度成正比，与通过的截面积成反比，与材料的导热系数成反比,热阻：

R＝L/(λS)

2.1元件的合理布局可减小热阻

1）元件安装在最佳自然散热位置

2）元件热流通道尽可能短，通道横截面要大，通道中不应有绝热或隔热物体 3）发热元件不能密集安装，排列要适中当前70页，总共140页。2.2散热装置

1）散热装置远离温度敏感元件

2）散热装置与元件接触面光滑、平整

3）靠近通风口的空气流动方向当前71页，总共140页。4）热敏器件不在热流通道；5）元器件和结构距离≥13mm，利于空气流动；6)散热装置安装位置合适，散热片垂直与印制板7）发热器件在机箱上方，怕热器件在下方，尽量利用机箱金属壳体散热，通风口要利于空气对流当前72页，总共140页。三降温处理 自然冷却装置无法保证电路正常工作时，需要增加外部制冷设备实现降温处理。

3.1等温处理 采用温度平均对称电路，使两个与温度有关的元件在同一温度场，形成对温度的相同感应，使温度影响一致。（如差分放大器、电桥电路等等）当前73页，总共140页。

3.2控温处理 增加专门制冷设备（空调、风扇、水、油等），对内部、外部环境实现降温处理，还可采用温度传感器作辅助控制电路，一旦控温电路失效，温度升高则需报警。当前74页，总共140页。整机的散热

机箱开通风孔，安装排风扇。在利用排风扇散热时，注意风路的设计，使主要的发热元件处于风路上。此时机壳的通风孔并非越多越好，必须与风路设计统一考虑，同时兼顾通风孔对电磁干扰等问题的影响。 许多电子设备带有金属外壳，常用来兼做散热器，将功率器件直接安装在外壳上，注意电绝缘和安全问题。增加云母片、导热硅脂等材料散热、绝缘等当前75页，总共140页。5.4可靠性设计

可靠性设计是以概率论、数理统计为基础，综合应用电子学、可靠性物理学、机械工程学、系统工程学等多方面知识的一种综合性设计。设备的可靠性定义的要素是“三规”：规定条件、规定时间、规定功能。可用平均故障时间MTBF来描述：MTBF=总工作时间/故障次数（h）整机的可靠性与它所使用的元器件的可靠性、元器件的数量、电路的设计质量、系统的可靠性结构类型等有关。当前76页，总共140页。

元器件的可靠性用失效率表示，(t)的定义：产品在t时刻后的单位时间内失效的产品数与在t时刻还在正常工作的产品数的百分比值。它是时间的函数(随时间而老化)：失效个数/正常个数×时间

r:失效个数N：未失效个数△t:时间间隔

元器件失效率参数由生产厂家提供，应按照电子系统的可靠性要求和成本控制要求等选择使用。

当前77页，总共140页。电子设备、电子元器件、机械产品等的失效率一般为：当前78页，总共140页。浴盘曲线 早期失效期：由于先天不良而导致的失效，如设计、制造、贮存等形成的缺陷。 偶然失效期：失效主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾等偶然因素引起。 耗损失效期：由于产品已经老化、疲劳、磨损等耗损原因引起。当前79页，总共140页。

串联系统：系统的任一单元失效就会导致整个系统失效的系统。 串联系统的可靠性框图： 假定各单元是统计独立的，则其可靠性数学模型为：（i=1,2,…n） 其中：—系统可靠度—第i单元可靠度 可靠度：在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率，一般记为R 串联系统应选用失效率低的或集成度高的器件串联系统可靠性当前80页，总共140页。当前81页，总共140页。并联系统可靠性

并联系统：系统的所有单元失效才会导致整个系统失效的系统。并联系统的可靠性框图：假定各单元是独立的，则其可靠性数学模型为：式中，--系统可靠度；--第i单元可靠度；--第i单元不可靠度重要部件与电路应采用可靠性并联结构设计当前82页，总共140页。当前83页，总共140页。

定义：在设计阶段，根据所选用的电路形式、元器件、可靠性结构模型、工作环境、工作应力以及过去积累的统计数据，推测产品可能达到的可靠性水平，共三种可靠性预计方法：

(1)有源器件法：按设备为完成规定功能所需的串联有源器件的数目预计设备失效的方法。

(2)元器件计数法：根据组成设备的各类元器件的通用失效率及其使用数量，来预计设备失效率的方法。

(3)元器件应力分析法：是考虑了温度、电应力、环境条件、元器件选用及电路等情况对元器件失效率的影响，先预计各个元器件在上述诸因素影响下的失效率，然后再预计设备总的失效率的一种方法，此方法较精确，可满足工程设计要求。可靠性预计当前84页，总共140页。系统可靠性设计的基本任务：

在现有元器件水平的基础上，从设备或系统的总体设计、元器件选用、降额设计、散热设计、稳定性设计、电磁兼容设计、耐环境设计、工艺设计以及维修性设计等各方面，采取各种措施，在质量、体积、性能、费用、研制时间等因素的综合权衡下，实现设备或系统既定的可靠性指标。当前85页，总共140页。

（1）元器件正确选用、筛选 尽量选用经过质量认证，现场试用，可靠性高的通用元器件。 元器件的使用：近一半的元器件失效并非由于元器件本身的固有可靠性不高，而是由于使用者对元器件选择不当或使用有误。可靠性设计技术当前86页，总共140页。

质量等级：是指元器件装机使用之前，在制造、试验及筛选过程中其质量的控制等级。它对元器件的失效率有很大的影响。国产电子元器件的优选顺序国家标准（GB）、国军标（GJB）、“七专”（QZJ）、电子工业部标准（SJ）执行元器件的质量等级当前87页，总共140页。元器件的选择与控制目的保证元器件的性能、质量等应满足产品要求；保证畅通的采购渠道、稳定的货源；减少品种；降低采购费用；正确的使用。选择控制的总原则元器件的技术性能、质量等级、使用条件等应满足产品要求；优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠道可靠的标准元器件；在产品设计时，应最大限度地压缩元器件的品种、规格及其生产厂点；要严格控制新研元器件的使用。当前88页，总共140页。（2）降额设计降额：使元器件在低于其额定值的应力条件下工作。当前89页，总共140页。降额设计概念降额设计概念与目的降额设计就是使元器件或设备工作时承受的工作应力适当低于元器件或设备的额定值；降低基本故障率、提高使用可靠性的目的；降额主要因素：电应力和温度降额设计的关键：降额的程度与效果；降额等级Ι级降额：50%Π级降额：60%Ш级降额：70%当前90页，总共140页。降额准则说明

电阻一般从功率角度降额，电容从压降，二极管从反向击穿电流，集成芯片从频率等角度。降额可提高可靠性，但要综合考虑可靠性、体积、重量和费用等问题，一般参照GJB/Z-35《元器件降额准则》。当前91页，总共140页。（3）热设计的基本准则：降低热源合理布局有效散热（4）电磁兼容性设计 屏蔽 滤波 接地

当前92页，总共140页。 （5）漂移设计：由于元器件的性能参数会随时间而发生缓慢变化-漂移。为防止漂移失效，即要选择参数稳定的元器件，并添加温度补偿电路，又要经济合理。 （6）三防设计：三防：防潮湿、防盐雾、防霉菌。①防潮：防水处理、灌封处理、塑料封装、金属封装。②防盐雾：电镀、表面涂敷。③防霉菌：密封灭菌、放干燥剂、降低环境相对湿度、紫外线辐照、表面涂防霉剂。 （7）冗余设计： 冗余设计：额外附加一些装置或手段，即使其中某一部分出现了故障，但作为整体仍能正常工作的一种设计。当前93页，总共140页。

（8）维修性设计：电子设备一般都是可修复产品。不但要求少出故障，而且要求一旦出了故障时能很快修复。维修性设计几个考虑方面：易装易拆、易检查易校准易恢复、互换性好等。

（9）人为因素设计 人机交互界面友好，操作简单、便利、自动化程度高，软件增加抗干扰设计。当前94页，总共140页。工艺结构可靠性设计 1)隔振和缓冲电子设备在运输，发射或外跌落等过程中将承受不同程度的振动与冲击力，结构设计和大质量元件安装须考虑专门的隔振与缓冲。常用的有橡胶减振器和金属弹簧减振器。

2)防腐蚀设计电子设备接触大气、土壤、海水等，都将产生不同程度的腐蚀，特别是长期处于盐雾、酸雾、高温下工作的电子设备，以及在野外、地下长年工作的无人值守的电子设备，其电子元件和结构都应考虑采取防护设计。通常采用表面涂覆、镀层、防锈油、密封、灌封等方法。当前95页，总共140页。 3)防尘、防爆电子设备中的开关、继电器、电刷等带触点部分的元件，染尘后将影响性能，对这一类有特殊要求的电子设备，通常对整机作全封闭处理。当前96页，总共140页。5.5印制电路板的设计与装配PCB的基本知识

印刷电路板也称PCB板,它是在敷铜板上用腐蚀的方法除去多余的铜箔、保留必要的铜箔作为导体而得到的可焊接电子元件的电路板。腐蚀后留下的可焊接元件的铜箔电路绝缘基板其分为：单面板双面板多层板当前97页，总共140页。印制电路板功能1：提供集成电路等元器件固定、装配的机械支撑2：实现集成电路等元器件之间的布线、电气连接（信号传输）或电绝缘，提供所要求的电气特性，如阻抗、容抗等等3：为自动装配提供阻焊图形，为元器件检查、维修提供识别图形标准

按材质类型分类：1、刚性印刷板2、柔性印刷板当前98页，总共140页。电路板的层（Layer）

电路板层为铜箔层,如下：其分为：单面板双面板多层板顶层Top过孔Via底层Bottom中间层Mid绝缘层多层板当前99页，总共140页。各种膜（Mask）

焊盘阻焊膜（SolderMask）丝印膜（Silkscreen）助焊膜（PastMask）当前100页，总共140页。原理图绘制 在设计PCB印制板前需先行绘制原理图，保证不会出现电路原理上的错误，是PCB的原理映射。原理图绘制的基本原则：（1）符合人的读图习惯（2）尽量体现出电路原理方面的结构、特点，容易理解（图形文件）（3）符合一定的技术标准原理图中的几个要素：（1）元件：元件标号、参数、型号和封装等（2）连线：细线、总线等（3）网络标号（4）注释当前101页，总共140页。原理图设计原理图绘制的步骤与考虑（1）布局

1）电路主要部分布在图纸的中间部分，次要部分布在图纸的周围

2）以信号的流程为导向，从左到右、从上到下排列

3）属于同一电路单元内的元件集中放置

4）整个图纸布局要相对匀称，清晰5）特殊元件的位置要体现出元件的功能和要求，并增加注释（2）布线

横平竖直，减少交叉，便于视线追踪对于相同性质的多根连线使用总线连接对于连接距离比较长的连线用网络标号连接当前102页，总共140页。印制电路板基本知识(PCB)1)基材，可分为刚性覆铜箔板、复合材料基板和特殊基板三种。2)过孔，作用上看过孔分成两类：一是用做各层间的电气连接；二是用做器件的固定或定位。工艺制程上看分为三类，即盲孔(blindvia)、埋孔(buriedvia)和通孔(throughvia)。盲孔位于印制电路板的顶层和底层表面，具有一定的深度，用于表层线路和内层线路的连接。埋孔是指位于印制电路板内层的连接孔，其不会延伸到电路板的表面。上述两类孔都位于电路板的内层。通孔则穿过整个电路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。当前103页，总共140页。印制电路板基本知识3)导线

(1)导线宽度，导线宽度应尽可能选择宽，须考虑电流负荷和阻抗匹配。

(2)导线间距，最小间距主要考虑信号频率、电压等因素，一般有安全间距。4)焊盘，固定元器件的引脚

(1)焊盘尺寸，焊盘尺寸与引脚尺寸、布线宽度有关。

(2)焊盘形状，焊盘主要由圆形、方形、椭圆形等。当前104页，总共140页。印制电路板基本知识5）PCB版的制作流程：

设计PCB板图、光绘成正像胶片、准备敷铜板、上保护油墨、曝光、清洗、腐蚀、上阻焊油墨、曝光、清洗、印字符、上助焊剂当前105页，总共140页。PCB的设计

一、设计工具：Protel（Powerpcb、Cadence）

二、设计过程：

PCB板的设计可分为设计准备、网络表输入、规则设置、元器件布局、布线、检查、复查和输出8个步骤。

1)印制电路板设计准备（封装文件）。

(1)标准元件的建立(2)特殊元件的建立(3)具体设计文件的建立。

2)网络表输入。

3)规则设置(重点分层设计)

当前106页，总共140页。PCB分层设计原则（了解）【设计原则】：时钟频率超过10MHz，或信号上升时间小于5ns时，推荐用多层板。【原理分析】：多层板可很好地控制信号回路面积。Pin密度>1.00.6-1.00.4-0.60.3-0.40.2-0.3<0.2信号层数2246810板层数246812>14

板面积（平方英寸）Pin密度=—————————

（板上管脚总数/14）当前107页，总共140页。【设计原则】：在单、双层板中，电源走线附近最好有地线与其紧邻、平行走线。【原理分析】：减小电源电流回路面积。×√当前108页，总共140页。【设计原则】：分层设计时，避免布线层相邻。如无法避免，拉大两布线层间距，缩小布线层与其信号回路层间距。【原理分析】：相邻布线层上的平行信号走线会导致信号串扰。ד布线层1”与“布线层2”不宜相邻当前109页，总共140页。【设计原则】：相邻平面层应避免其投影平面重叠。【原理分析】：投影重叠时，层层间耦合电容致层间噪声耦合。投影重叠区域等效图√当前110页，总共140页。4)PCB布局设计【设计原则】：PCB布局，沿信号流向直线放置原则，避免来回环绕。【原理分析】：避免信号直接耦合，影响信号质量。×√当前111页，总共140页。【设计原则】：多个模块在同一板子时，数/模、高速/低速等分开布局。【原理分析】：避免数/模、高速/低速电路的串扰。当前112页，总共140页。【设计原则】：PCB上同时存在高、中、低速电路时，遵从下图布局原则。【原理分析】：避免高频电路噪声通过接口向外辐射。当前113页，总共140页。【设计原则】：有较大电流变化的单元电路或器件（如电源模块的in/out端、风扇、继电器）附近应放置储能和高频滤波电容。【原理分析】：储能电容的存在可以减小大电流的回路面积。当前114页，总共140页。【设计原则】：PCB板接口电路的滤波、防护及隔离器件应靠近接口放置。【原理分析】：防护、滤波和隔离效果好。√X当前115页，总共140页。【设计原则】：接口处有滤波和防护电路，应先防护，后滤波。【原理分析】：防护电路用来进行外部过压和过流抑制，如果防护电路放置滤波电路之后，滤波电路可能会过压、过流损坏。当前116页，总共140页。【设计原则】：晶振、继电器、开关电源等强辐射器件离PCB接口连接器≥1000mil。(敏感电路或器件同样适用)【原理分析】：干扰会直接向外辐射或在外出电缆上耦合出电流来向外辐射。当前117页，总共140页。【设计原则】：IC滤波电容应靠近芯片供电管脚。【原理分析】：电容离管脚越近，高频回路面积越小，辐射越小。√×当前118页，总共140页。【设计原则】：对始端串联匹配电阻，应靠近其信号输出端放置。【原理分析】：始端串联匹配电阻的设计原理是ZS＋RS＝Z0，如果

Rs远离输出端，则ZS＋RS≠Z0，起不到匹配效果。主要针对长距离传输当前119页，总共140页。【设计原则】：PCB走线，例如：时钟线，与总线的粗细应一致。【原理分析】：粗细不一致时，走线阻抗突变，导致信号发射，从而产生振铃或过冲，形成强烈的EMI辐射。GND晶振R强烈的EMI源当前120页，总共140页。【设计原则】：差分信号线应同层、等长、并行走线，保持阻抗一致，差分线间无其它走线。【原理分析】：保证差分线对的共模阻抗相等，提高其抗干扰能力。当前121页，总共140页。【设计原则】：单板上滤波器（滤波电路）下方没有无关信号走线。【原理分析】：分布电容会削弱滤波器的滤波效果。×当前122页，总共140页。【设计原则】：单面板或双面板，电源线走线很长，每隔3000mil

对地加去耦电容（10uF＋1000pF）。【原理分析】：滤除电源线上地高频噪声。1mil=0.0254mm

当前123页，总共140页。元器件布局注意事项总结 1、布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，尽量把有连线关系的器件放在—起； 2、放置器件时要考虑将来焊接和装配时的便利性，不要太密集；

3、多使用软件提供的整体排列和编辑功能，以提高布局的效率。当前124页，总共140页。

布线方式有两种，手工布线和自动布线。通常两种方法混合使用，可以提高布线的效率。

布线主要注意：

(1)器件引脚间距为0.5mm的板布线时，常用手工布线方式； （2）电源线的布线应尽可能加粗，在空白区域可以大面积覆铜；（3）高频信号如差分线，平行走线，输出到输入整条线粗细一致；5)检查、复查和印制电路板图输出

可利用软件提供的检错（DCR）当前125页，总共140页。PCB的设计注意事项（1）热稳定性（2）抗干扰性能（3）机械强度（4）布线及加工工艺（加工精度和成本）当前126页，总共140页。热稳定性（热设计）意义：电子电路对温度的变化比较敏感（参数变化），耐受高温的能力也比较差（烧毁或寿命缩短），所以在设计印制电路板时必须考虑电路板的散热和电路的热稳定性，使电路在规定的环境温度范围内都能正常工作。不利因素：印制电路板本身是热的不良导体；在平面安装时不利于热空气对流（不透气）；元件的安装密度越来越大，体积越来越小；考虑因素：任何电路元件只要通电就会有损耗、就会发热，设计印制电路板时主要是通过合理地安排元件的布局，尽可能有利于散热和减少温度的影响。

当前127页，总共140页。热稳定性设计

（1）温度敏感和发热量元件大尽量靠近电路板的边沿安装；（2）将发热元件安装在高位，温度敏感元件安装在低位（3）给发热元件、温度敏感元件下面打散热孔，解决对流问题。（4）给发热元件加装散热器（分为自然、风冷…..），并使热量尽可能的排到机箱外（5）使用导热硅脂等辅助材料一个平面安装的电路板各元件均匀分布且发热量相等（称为均匀热负载），则热平衡后板