电子设备的可靠性设计概括课件

第第2章章 电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.1 影响电子设备可靠性的主要因素影响电子设备可靠性的主要因素 2.2 电子元器件的选用电子元器件的选用 2.3 电子设备的可靠性防护措施电子设备的可靠性防护措施 2.4 印制电路板布线的可靠性设计印制电路板布线的可靠性设计 2.5 PCB电磁兼容设计中的地线设计电磁兼容设计中的地线设计 思考题与练习题思考题与练习题 2.1 影响电子设备可靠性的主要因素影响电子设备可靠性的主要因素2.1.1工作环境电子设备所处的工作环境多种多样。气候条件、机械作用力和电磁干扰是影响电子设备的主要因素。必须采取适当的防护措施，将各种不良影响降低到最低限度，以保证电子设备稳定、可靠地工作。1.气候条件对电子设备的要求气候条件主要包括温度、湿度、气压、盐雾、大气污染、灰沙及日照等因素，对设备的影响主要表现在使电气性能下降、温升过高、运动部位不灵活、结构损坏，甚至不能正常工作。为了减少和防止这些不良影响，对电子设备提出以下要求：(1)采取散热措施，限制设备工作时的温升，保证在最高工作温度条件下，设备内的元器件所承受的温度不超过其最高极限温度，并要求电子设备能够耐受高低温循环时的冷热冲击。(2)采取各种防护措施，防止潮湿、盐雾、大气污染等气候因素对电子设备内元器件及零部件的侵蚀和危害，延长其工作期。2.机械条件对电子设备的要求机械条件是指电子设备在不同的运载工具中使用时所受到的振动、冲击、离心加速度等机械作用。它对设备的影响主要是：元器件损坏失效或电参数改变；结构件断裂或变形过大；金属件的疲劳破坏等。为了防止机械作用对设备产生的不良影响，对设备提出以下要求：(1)采取减振缓冲措施，确保设备内的电子元器件和机械零部件在受到外界强烈振动和冲击的条件下，不致变形和损坏。(2)提高电子设备的耐冲击、耐振动能力，保证电子设备的可靠性。3.电磁干扰对电子设备的要求电子设备工作的周围空间充满了由于各种原因所产生的电磁波，造成外部及内部干扰。电磁干扰的存在，使设备输出噪声增大，工作不稳定，甚至不能安全工作。2.1.2使用方面使用和维护人员对产品可靠性的影响，包括使用和维护的程序及设备，操作方法的正确性以及其他人为的因素。使用可靠性很大程度上依赖于使用设备的人。熟练而正确的操作，及时的维护和保养，都能显著地提高使用可靠性。电子设备的操纵性能如何以及是否便于维护修理，直接影响到设备的可靠性，因此在结构设计时必须全面考虑。对电子设备的操纵要求，原则上可归纳为以下几点：(1)为操纵者创造良好的工作条件。例如：设备不会产生令人厌恶的噪声，且色彩调和给人以好感，安装位置适当，能令操作者精神安宁、注意力集中，从而提高工作质量。(2)设备操作简单，能很快地进入工作状态，不需要很熟练的操作技术。(3)设备安全可靠，有保险装置。当操纵者发生误操作时，应不会损坏设备，更不能危及人身安全。(4)控制机构轻便，尽可能减少操纵者的体力消耗。指示系统清晰，便于观察，且长时间观察不易疲劳，也不损伤视力。从维护方便的角度出发，对结构设计提出以下要求：(1)在发生故障时，便于打开维修或能迅速更换备用件。如采用插入式和折叠式结构、快速装拆结构以及可换部件式结构等。(2)可调组件、测试点应布置在设备的同一面；经常更换的元器件应布置在易于装拆的部位；对于电路单元应尽可能采用印制板并用插座与系统连接。(3)元器件的组装密度不宜过大，即体积填充系数在可能的条件下应取得低一些(一般最好不超过0.3)，以保证元器件间有足够的空间，便于装拆和维修。(4)设备应具有过负荷保护装置(如过电流、过电压保护)，危险和高压处应有警告标志和自动安全保护装置(如高压自动断路门开关)等，以确保维修安全。(5)设备最好具备监测装置和故障预报装置，能使操纵者尽早地发现故障或测试失效元器件，及时更换维修，以缩短维修时间，防止大故障出现。2.1.3生产方面1.生产条件对电子设备的要求任何电子设备在它的研制之后都要投入生产。生产厂的设备情况、技术和工艺水平、生产能力和生产周期以及生产管理水平等因素都属于生产条件。设备若要顺利地投产，必须满足生产条件对它的要求，否则就不可能生产优质的产品，甚至根本无法投产。生产条件对产品的要求一般有以下几个方面：(1)设备中的零部件、元器件，其品种和规格应尽可能少，尽量使用由专业厂家生产的通用零部件或产品。因为这样便于生产管理，有利于提高产品质量，降低成本。(2)设备中的机械零部件必须具有较好的结构工艺性，能够采用先进的工艺方法和流程。(3)设备中的零部件、元器件及其各种技术参数、形状、尺寸等，应最大限度地标准化和规格化；还应尽可能采用生产厂家以前曾经生产过的零部件，充分利用生产厂家的先进经验，使产品具有继承性。(4)设备所使用的原材料的品种规格越少越好，应尽可能少用或不用贵重材料，立足于使用国产材料和来源多、价格低的材料。(5)设备(含零部件)的加工精度要与技术条件要求相适应，不允许无根据地追求高精度。在满足产品性能指标的前提下，其精度等级应尽可能低，装配也应简易化，尽量不搞选配和修配，力求减少装配工人的体力消耗，便于自动流水生产。2.经济性对电子设备的要求电子设备的经济性有两方面的内容：使用经济性和生产经济性。使用经济性包括设备在使用、贮存和运输过程中所消耗的费用。为了提高产品的经济性，在设计阶段就应充分考虑以下几个方面：(1)研究产品与零部件技术条件，分析产品设计参数，研讨和保证产品性能和使用条件，正确制定设计方案，这是产品经济性的首要环节。(2)根据产量确定产品结构形式和产品类型。产量的大小决定着生产批量的规模，生产批量不同，其生产方式类型也不同，因而其生产经济性也不同。(3)运用价值工程观念，在保证产品性能的条件下，按最经济的生产方法设计零部件。在满足产品技术要求的条件下，选用最经济合理的原材料和元器件，以求降低产品的生产成本。(4)全面构思，周密设计产品的结构，使产品具有良好的操纵维修性能和使用性能，以降低设备的维修费用和使用费用。2.2 电子元器件的选用电子元器件的选用2.2.1电子元器件的选用准则电子元器件选用时应遵循下列原则：(1)根据电路性能的要求和工作环境的条件选用合适的元器件，元器件的技术条件、技术性能、质量等级等均应满足设备工作和环境的要求，并留有足够的裕量。(2)优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件，不选用淘汰和禁用的元器件。(3)应最大限度地压缩元器件的品种规格，减少生产厂家，提高它们的复用率。(4)除特殊情况外，所有电子元器件应按不同的要求经过必要的可靠性筛选后，才能用到产品中。(5)优先选用有良好的技术服务、供货及时、价格合理的生产厂家的元器件。对关键元器件要进行用户对生产方的质量认定。(6)仔细分析比较同类元器件在品种、规格、型号和制造厂商之间的差异，择优选用。要注意统计在使用过程中元器件所表现出来的性能与可靠性方面的数据，作为以后选用的依据。2.2.2电子元器件的主要技术参数1.电阻器的主要技术参数(1)标称阻值和允许偏差。标称阻值是指电阻器上所标示的名义阻值，所有标称阻值都必须符合标称阻值系列。常用的标称阻值有E6、E12和E24系列，如表2.1所示。实际阻值与标称阻值的相对误差称为允许偏差。普通电阻的允许偏差有级(5%)、级(10%)和级(20%)，精密电阻允许偏差要求更高，如2%、1%、0.5%0.001%等。表2.1电阻器标称阻值系列(2)额定功率。电阻器的额定功率是指在正常大气压力及额定温度条件下，在电阻器的使用过程中电阻器所能承受而不致将其烧毁的最大限度功率值。它是根据电阻器本身的阻值以及所通过的电流和其两端所加的电压来确定的，是选择电阻器的主要参数之一。常用电阻器额定功率的系列值如表2.2所示。表2.2常用电阻器额定功率的系列值(3)温度系数。温度系数是指温度每升高或降低1所引起的电阻值的相对变化。温度系数越小，电阻器的稳定性就越好。2.电容器的主要技术参数(1)标称容量和允许偏差。电容器标称容量及允许偏差的基本含义同电阻一样，标称容量越大，电容器贮存电荷的能力就越强。(2)耐压值(额定工作电压)。耐压值是指在允许的环境温度范围内，电容器在电路中长期可靠地工作所允许加的最大直流电压或交流电压的有效值。在选择电容器时，电容器的耐压值应该大于实际工作承受的电压，否则电容器中的介质会被击穿造成电容器的损坏。常用的耐压系列值如下所示(单位：V)：(3)绝缘电阻。绝缘电阻是指电容器两极之间的电阻，也称漏电阻。一般电容器绝缘电阻在1081010之间，电容量越大绝缘电阻就越小，所以不能单凭所测绝缘电阻值的大小来衡量电容器的绝缘性能。3.半导体二极管的主要技术参数(1)最大正向电流IF。最大正向电流是指长期运行时晶体二极管允许通过的最大正向平均电流。(2)反向饱和电流Is。反向饱和电流是指二极管未击穿时的反向电流值。反向饱和电流主要受温度影响，该值越小，说明二极管的单向导电性越好。(3)最大反向工作电压URM。最大反向工作电压指正常工作时，二极管所能承受的反向电压最大值。(4)最高工作频率fM。最高工作频率指晶体二极管能保持良好工作性能条件下的最高工作频率。4.半导体三极管的主要技术参数(1)交流电流放大系数。交流电流放大系数包括共发射极电流放大系数()和共基极电流放大系数()。它是表明晶体管放大能力的重要参数。(2)集电极最大允许电流ICM。集电极最大允许电流指放大器的下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流值，或者说集电极电流所能达到的晶体三极管允许的极限值。(3)集电极最大允许耗散功率PCM。集电极最大允许耗散功率是指集电极因受热而引起晶体三极管的参数变化不超过规定允许值时，集电极所能消耗的最大功率，或者说晶体管集电极温度升高到不致将集电结烧毁所消耗的最大功率。(4)集-射间反向击穿电压(UCEO)。集-射间反向击穿电压指三极管基极开路时，集电极和发射极之间允许加的最高反向电压。5.集成电路的主要技术参数1)TTL“与非门”集成电路的主要静态参数(1)输出高电平UOH。输出高电平UOH是指输入端有一个(或几个)为低电平时的输出电平。UOH典型值约为3.6V。(2)输出低电平UOL。输出低电平UOL是指在电路输出端接有额定负载(通常规定为带八个同类型的与非门负载)时，电路处于饱和导通状态时的输出电压。UOL一般应小于或等于0.35V。(3)输入短路电流IIS。输入短路电流IIS是指当任何一个输入端接地而其余输入端悬空时，流过该输入端的电流值。IIS应小于1.5mA，且越小越好。(4)输入漏电流IIH。输入漏电流IIH是指在电路中，当任一输入端接高电平，其余输入端接地时，流过接高电平输入端的电流。IIH应小于70A，且越小越好。(5)开门电压UON。开门电压UON是指在电路输出端接有负载(通常规定为带八个同类型的与非门负载)时，使输出电压为低电平时的最小输入电压。一般UON应小于或等于1.8V，典型值为1.4V。(6)关门电压UOFF。关门电压UOFF是指输出电压值下降到规定值(即UON)的90%时的输入电压。一般UOFF应小于或等于0.8V，典型值为1V。2)数字集成电路的主要动态参数(1)平均传输延迟时间tpd。平均传输延迟时间是数字集成电路的一个重要动态参数。当门电路工作时，若输入一个脉冲信号，则输出脉冲会有一定的时间延迟，如图2.1所示。(2)导通延迟时间trd。导通延迟时间是从输入脉冲上升沿的50%起，到输出脉冲下降沿的50%为止这段时间间隔。(3)截止延迟时间tfd。截止延迟时间是从输出脉冲下降沿的50%起，到输出脉冲上升沿的50%为止这段时间间隔。图2.1数字集成电路的动态参数3)运算放大器的主要参数(1)开环电压增益Aud。开环电压增益Aud是指运算放大器处于开环状态并且没有外部反馈时，其输出(直流)电 压 增 量 与 输 入(直 流)差 模 电 压 增 量 之 比，即Aud=Uo/Ui=Uo/Ui。(2)共模抑制比CMRR。差模输入是指把输入信号电压加在运算放大器的两个输入端之间。(3)输入偏置电流IB。输入偏置电流IB是指运算放大器在没有输入信号时，流入双极型晶体管的基极电流或场效应晶体管的栅极漏电流。一般规定IB值是流入两个输入端的输入偏置电流之和的一半。(4)输入失调电流IOS。输入失调电流IOS是指当输入信号为零时，运算放大器的两个输入端的偏置电流的差值，即IOS=IBIB+。由于信号源内阻的存在，IOS会引起一输入电压变化，从而破坏运算放大器的平衡，使其输出电压值不为零，因此，要求IOS愈小愈好。(5)输入失调电压UOS。在运算放大器的两个输入端上外加一直流补偿电压，以使其输出端为零电位，则外加的补偿电压就是输入失调电压UOS。UOS愈小，运算放大器的电路对称程度愈好。2.2.3电子元器件的降额使用元器件失效的一个重要原因是由于它工作在允许的应力水平之上。因此为了提高元器件可靠性，延长其使用寿命，必须有意识地降低施加在元器件上的工作应力，以使实际使用应力低于其规定的额定应力。对元器件有影响的应力有：时间、温度、湿度、腐蚀、机械应力(直接负荷、冲击、振动等)和电应力(电压、电流、频率等)等。1.电阻器的降额使用电阻器按其功能可分为固定电阻器、电位器、热敏电阻器等。对于固定电阻器和电位器而言，影响其可靠性的最重要应力为电压、功率和环境温度；对于热敏电阻而言，影响其可靠性的应力则主要是功率和环境温度。2.电容器的降额使用影响电容器可靠性的最重要应力是电压和环境温度。对于固定纸/塑料薄膜电容器而言，在应用时，交流峰值电压与直流电压之和不得超过其额定值。3.半导体器件降额使用可按GJB/Z35电子元器件降额准则对半导体器件合理地降额使用。需要降额的主要参数是结温、电压和电流。半导体器件的降额系数S取0.5以下，温度低于50。锗管还要低一点。不同的半导体器件，S的定义不一样。晶体二极管的S为平均正向工作电流与25时的最大额定正向电流之比。晶体三极管的S为实际功率与25时的最大额定功率之比。稳压管的S为实际耗散功率与25时最大额定功率之比。光电器件的S为实际耗散功率与25时最大额定功率乘以与最大允许结温有关的修正系数之比。表2.3列出了常用元器件的推荐降额范围。表2.3常用元器件的推荐降额范围2.2.4电子元器件的检验与筛选电子元器件的质量是电子产品可靠性的重要保证，因此，在电子设备整机装配前，应按照整机技术要求对元器件进行质量检验和筛选，不符合要求的元器件不得装入整机。1.元器件的外观检查外观检查时，首先要查对元器件的型号、规格和出厂日期是否符合整机技术条件要求，没有合格证明的元器件不得使用。外观检查的主要内容如下：(1)元器件外观是否完整无损，标记是否清晰，引线和接线端子是否无锈蚀和明显氧化。(2)电位器、可变电容器和可调电感器等组件调节时是否旋转平稳，无跳变和卡死现象。(3)接插件是否插拔自如，插针、插孔镀层是否光亮，无明显氧化和沾污。(4)胶木件表面是否无裂纹、起泡和分层。瓷质件表面是否光洁平整，无缺损。(5)带有密封结构的元器件，密封部件是否损坏和开裂。(6)镀银件表面是否光亮，无变色发黑现象。2.元器件的筛选和老化筛选和老化的目的是剔除因某种缺陷而导致早期失效的元器件，从而提高元器件的使用寿命和可靠性。因此，凡有筛选和老化要求的元器件，在整机装配前必须按照整机产品技术要求和有关技术规定进行严格的筛选和老化。下面对半导体二极管、三极管和集成电路的筛选和老化的技术要求作简单介绍。1)半导体二极管、三极管的筛选(1)筛选程序如下：二极管(此处列举的是整流二极管)：高温贮存温度冲击敲击功率老化高温测反向漏电流常温测试检漏外观检查。三极管：高温贮存温度冲击跌落(大功率管不做)高温反偏(硅PNP管做)功率老化高低温测试(必要时做)常温测试检漏外观检查。(2)筛选条件及要求如下：高温贮存的要求为：贮存温度：硅二极管为1503；硅三极管为1753；锗二极管、三极管为1002。贮存时间：A级为48小时，B级为96小时。温度冲击的要求为：锗器件：553852硅器件：5531253敲击。在专用夹具上用小锤敲击器件，并用图示仪监视最大工作电流正向曲线。功率老化。在常温下，按技术要求(例如：整流二极管最大电流不大于1A时，按额定电流的1.5倍老化；最大电流大于1A时，可按额定电流老化)通电老化。高温测试。其试验温度的要求为：锗二极管为702，锗中小功率三极管为552，锗大功率管为752，硅二极管、三极管为1253，恒温时间为30分钟。低温测试。其试验温度为553，恒温时间为30分钟。常温测试。常温测试按技术文件规定进行。检漏。检漏按技术文件规定进行。2)半导体集成电路的筛选对于半导体集成电路等组件，也要按照技术要求，凡有筛选要求的都要进行筛选。(1)高温贮存。高温贮存的作用是通过高温加热来加速任何可能发生或存在的表面化学反应，使电路稳定，剔除潜在的失效电路。贮存条件：温度为1501755，贮存时间为48小时或96小时。150适用于环氧扁平封装的电路，175适用于其他材料封装的电路。(2)温度循环。温度循环能检验电路内不同结构材料的热胀冷缩是否匹配。循环条件：温度范围为5531253。先低温后高温，每种温度下保持30分钟，交替时间小于1分钟，交替次数不少于5次。(3)离心加速度。离心加速度试验可使电路内部焊点不牢，装片或封装不佳，管壳及硅片存在潜在裂纹等缺陷易于暴露。试验条件：质量小于15g的电路可施加外力20kg，质量大于15g的电路施加外力5kg。沿电路三个轴向，各试验1分钟。(4)跌落。有时可以用跌落的方法代替离心加速度的筛选方法。(5)高温功率老化。老化条件：温度为1253，时间为168小时或96小时。亦可把温度提高到1503，进行24小时老化。(6)高温测试。测试条件：温度为403和553，各保持30分钟，测试电参数。(8)电路输入、输出特性检查。在室温下分别对电路每一个输入、输出端的PN结加反向电压，观察其特性曲线有无显示击穿现象。击穿电压应大于7V，漏电流应小于10A。2.3 电子设备的可靠性防护措施电子设备的可靠性防护措施2.3.1电子设备的散热防护温度是影响电子设备可靠性最广泛的一个因素。电子设备工作时，其功率损失一般都以热能形式散发出来，尤其是一些耗散功率较大的元器件，如电子管、变压器、大功率晶体管、大功率电阻等。另外，当环境温度较高时，设备工作时产生的热能难以散发出去，将使设备温度升高。1.电阻器的散热措施1)温度对电阻器的影响温度升高会使电阻使用率下降，导致其寿命降低。如RTX型碳膜电阻，当环境温度为40时，允许的使用功率为标称值的100%；环境温度增至100时，允许使用功率仅为标称值的20%。另外，温度过高能使噪声增大。温度变化同样会使阻值变化，温度每升高或降低10，其阻值大约变化1%。2)电阻器散热的一般方法电阻的温度与其形式、尺寸、功率损耗、安装位置以及环境温度等因素有关。一般情况下，电阻是通过引出线的传导和本身的对流、辐射来散热的。电阻器散热的一般考虑有：(1)大功率电阻器应安装在金属底座上，以便散热。(2)不许在没有散热的情况下，将功率电阻器直接装在接线端或印制板上。(3)功率电阻器尽可能安装在水平位置。(4)引线长度应短些，使其和印制电路板的接点能起散热作用；但又不能太短，且最好稍弯曲，以允许热胀冷缩。如用安装架，则要考虑其热胀冷缩的应力。(5)当电阻器成行或成排安装时，要考虑通风的限制和相互散热的影响，并将其适当组合。(6)在需要补充绝缘时，需考虑散热问题。2.半导体分立器件的散热措施1)温度对半导体分立器件的影响半导体器件对温度反应很敏感，过高的温度会使器件的工作点发生漂移、增益不稳定、噪声增大和信号失真，严重时会引起热击穿。因此，通常半导体器件的工作温度不能过高，如锗管不超过70100；硅管不超过150200。表2.4列出了常用元器件的允许温度。表2.4常用元器件允许温度2)半导体分立器件散热的一般考虑(1)对于功率小于100mW的晶体管，一般不用散热器。(2)大功率半导体分立器件应装在散热器上。(3)散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装，以便于自然对流。散热器上有多个肋片时，应选用肋片间距大的散热器。(4)半导体分立器件外壳与散热器间的接触热阻应尽可能小，应尽量增大接触面积，接触面保持光洁，必要时在接触面上涂上导热膏或加热绝缘硅橡胶片，借助于合适的紧固措施保证紧密接触。(5)散热器要进行表面处理，使其粗糙度适当并使表面呈黑色，以增强辐射换热。(6)对于热敏感的半导体分立器件，安装时应远离耗散功率大的元器件。(7)对于工作于真空环境中的半导体分立器件，散热器设计时应以只有辐射和传导散热为基础。3)散热器常用的散热器大致有：平板形、平行肋片形、叉指形、星形等，如图2.2(a)(d)所示。图2.2散热器形状(a)平板形；(b)平行肋片形；(c)叉指形；(d)星形3.变压器的散热措施1)温度对变压器的影响温度对变压器的影响除降低其使用寿命外，绝缘材料的性能也将下降。一般情况下，变压器的允许温度应低于95。2)变压器散热的一般考虑(1)不带外罩的变压器，要求铁心与支架、支架与固定面都要良好接触，使其热阻最小。(2)对有外罩的变压器，除要求外罩与固定面良好接触外，可将其垫高并在固定面上开孔，形成对流，如图2.3所示。(3)变压器外表面应涂无光泽黑漆，以加强辐射散热。图2.3变压器的散热4.集成电路的散热措施集成电路的散热，主要依靠管壳及引线的对流、辐射和传导散热，如图2.4所示。当集成电路的热流密度超过0.6W/cm2时，应装散热装置，以减少外壳与周围环境的热阻。图2.4集成电路的散热5.电子设备整机的散热措施1)机壳自然散热机壳是接受设备内部热量并将其散到周围环境中去的机械结构。机壳散热措施一般考虑如下：(1)选择导热性能好的材料做机壳，加强机箱内外表面的热传导。(2)在机壳内、外表面涂粗糙的黑漆，以提高机壳热辐射能力。(3)在机壳上合理地开通风孔，以加强气流的对流换热能力。图2.5为常见的通风口形式。图(a)为最简单的冲压而成的通风孔；图(b)为通风孔较大时用金属网遮住洞口的形式；图(c)为百叶窗式通风孔。图2.5散热器通风口形式2)印制板的热设计从有利于散热的角度出发，印制板最好是直立安装，板与板之间的距离一般不要小于2cm，而且元器件在印制板上的排列方式应遵循如下规则：(1)对于采用对流空气冷却方式的设备，最好是将集成电路(或其他元器件)按纵长方式排列，如图2.6(a)所示；对于采用强制空气冷却(风扇冷却)的设备，则应按横长方式排列，如图2.6(b)所示。(2)在同一块印制板上安装半导体器件时，应将发热量小或不耐热的元器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在气流的入口处，将发热量大或耐热好的元器件放在气流的出口处。图2.6集成电路在印制板上的排列(a)纵长排列；(b)横长排列(3)在水平方向上，大功率器件应尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热途径；在垂直方向上，大功率器件应尽量靠近印制板上方布置，以便减小这些器件工作时对其他元器件温度的影响。(4)温度敏感器件最好安置在温度最低的区域(如设备底部)，不要将它放在发热元器件的正上方，多个器件最好是水平交错布局。也可采用“热屏蔽”方法达到热保护作用。3)内部结构的合理布局由于设备内印制板的散热主要依靠空气对流，因此在设计时要研究空气流动途径，合理配置元器件或印制电路板。具体措施有：(1)要合理地布置机箱进出风口的位置，尽量增大进出风口之间的距离和高度差，以增强自然对流。(2)对大面积的元器件应特别注意其放置位置，如机箱底的底板、隔热板、屏蔽板等。若位置安排不合理，则可能阻碍或阻断自然对流的气流。(3)在印制板上进行元器件布局时，要避免在某个区域留有较大的空域。如图2.7(a)所示，冷却空气大多从此空域中流走，造成散热效果大大降低。如图2.7(b)所示，冷却空气的通路阻抗均匀，散热效果得到了改善。整机设备内有多块印制电路板的情况也应注意同样的问题。图2.7元器件的布局(a)较差布局；(b)较好布局4)强制风冷强制风冷是利用风机进行鼓风或抽风，提高设备内空气流动的速度，增大散热面的温差，达到散热的目的。强制风冷的散热形式主要是对流散热，其冷却介质是空气。强制风冷是目前应用最多的一种强制冷却方法。【实例】集成电路在印制板上的排列方式对其温升的影响。图2.8给出了大规模集成电路(LSI)和小规模集成电路(SSI)混合安装情况下的两种排列方式。LSI的功耗为1.5W，SSI的功耗为0.3W。实测结果表明，图2.8(a)所示排列方式使LSI的温升达50，而图2.8(b)所示排列方式使LSI的温升为40，显然采纳后一种排列方式对降低LSI的温升更为有效。图2.8集成电路的排列方式对其温升的影响2.3.2 电子设备的气候防护潮湿、盐雾、霉菌以及气压、污染气体对电子设备影响很大，其中潮湿的影响是最主要的。特别是在低温高湿条件下，空气湿度达到饱和时会使机内元器件、印制电路板上产生凝露现象，使电性能下降，故障上升1.潮湿的防护电子设备受到潮湿空气的侵蚀，会在元器件或材料表面凝聚一层水膜，并渗透到材料内部，从而造成绝缘材料的表面电导率增加，体积电阻率降低，介质损耗增加，零部件电气短路、漏电或击穿等。潮气还能引起覆盖层起泡甚至脱落，使其失去保护作用。防潮湿的措施很多，常用的方法有浸渍、灌封、密封等。1)浸渍浸渍是将被处理的组件或材料浸入不吸湿的绝缘漆中，经过一定时间使绝缘液体进入组件或材料的小孔、缝隙和结构件的空隙，从而提高组件或材料的防潮湿性能和其他性能。2)灌封灌封是用于热溶状态的树脂、橡胶等将电器组件浇注封闭，形成一个与外界完全隔绝的独立的整体。3)密封密封是防止潮湿长期影响的最有效的方法。密封是将零件、元器件、部件或一些复杂的装置甚至整机安装在不透气的密封盒内，这种防潮手段属于机械防潮。2.盐雾和霉菌的防护1)盐雾的防护盐雾主要发生在海上和近海地区，因盐碱被风刮起或盐水蒸发而形成的一种带有盐分的雾状气体。盐雾的防护方法主要是：在一般电镀的基础上进行加工，即严格电镀工艺，保证镀层厚度，选择适当的镀层种类；采用密封机壳或机罩，使设备与盐雾环境隔开；对关键组件进行灌封或加其他密封措施。2)霉菌的防护霉菌是指生长在营养基质上而形成绒毛状、蜘网状或絮状菌丝体的真菌。霉菌种类繁多。电子设备的霉菌防护方法有以下几种：(1)控制环境条件。(2)密封防霉。(3)使用防霉剂。(4)使用防霉材料。3.金属的防腐电子设备中大量应用到金属材料，金属材料会和周围腐蚀介质发生化学或电化学作用，从而导致金属的腐蚀。金属防腐蚀措施如下：(1)选择合适的材料。金属材料的耐蚀性能与所接触的介质有密切的关系。选材时，首先要知道腐蚀介质的种类、腐蚀强度、PH值以及影响腐蚀性的诸如环境温度、湿度变化情况等各种因素。(2)采用表面涂覆方法。表面涂覆是电子设备最常用的金属防腐蚀方法。表面涂覆就是在零件表面涂覆一层金属或非金属覆盖层。根据构成覆盖层的物质不同，可将覆盖层分为三类：金属覆盖层(电镀)、化学覆盖层(金属氧化物)和涂料覆盖层。2.3.3 电子设备的电磁防护屏蔽就是用导电或导磁材料制成的以盒、壳、板和栅等形式，将电磁场限制在一定空间范围内，使电磁场从屏蔽体的一面传到另一面时受到很大的衰减，从而抑制电磁场的扩散。根据屏蔽抑制功能的不同，可分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。电屏蔽即静电或电场的屏蔽，用于防止或抑制寄生电容耦合，隔离静电或电场干扰。电屏蔽最简单的方法是在感应源和受感器之间加一块接地良好的金属板，把感应源的寄生电容短接到地，达到屏蔽的目的。磁屏蔽用于防止磁感应，抑制寄生电感耦合，隔离磁场干扰。电磁屏蔽用于防止或抑制高频电磁场的干扰。1.元器件防静电措施半导体器件在制造、存贮、运输及装配过程中均可能因摩擦而产生静电电压，当器件与这些带电体接触时，带电体就会通过器件引脚放电，引起器件失效。如MOS器件、双极器件和混合集成电路等器件对静电放电损伤敏感。以对静电敏感的CMOS集成电路为例，在电路设计及印制板设计时，应注意以下几点：(1)不使用的输入端应根据要求接电源或接地，不得悬空。(2)作为线路板输入接口的电路，其输入端除加瞬变电压抑制二极管外，还应对地接电阻器(阻值一般取0.21M)。(3)当电路与电阻电容组成振荡器时，电容器存贮电荷产生的电压可使有关输入端的电压瞬时高于电源电压。(4)作为线路板输入接口的传输门，每个输入端都应串接电阻器(阻值取50100)。(5)作为线路板输入接口的逻辑门，每个输入端都应串接电阻器(阻值取100200)。(6)作为线路板输入接口的应用部位，应防止其输入电位高于电源电位(先加信号源，后加线路板电源，就可导致这一现象发生)。2.导线的屏蔽1)印制导线屏蔽单面印制板在信号线之间设置接地的印制导线可以起屏蔽作用，如图2.9(a)所示。双面印制板，除在信号线之间设置接地线以外，其背面铜箔也接地，增强了屏蔽作用，如图2.9(b)所示。图2.9印制板的屏蔽线2)高频导线(同轴射频电缆)的屏蔽高频导线的屏蔽主要是在其外面套上一层金属丝的编织网，中心是芯线，金属网是屏蔽层，芯线和屏蔽层之间衬有绝缘材料，屏蔽层外还有一层绝缘套管。(1)高频高电平导线的屏蔽。对于高频高电平导线，屏蔽的作用主要是防止其干扰外界。导线接入电路时，只要将屏蔽层在一端接地，则中心导线信号电流在屏蔽层上感应出的电荷就被释放到地，在屏蔽层外部没有电场。一端接地的方法具有有效的电场屏蔽作用，如图2.10所示。图2.10屏蔽体一端接地的电场屏蔽作用如果屏蔽层两端接地，则使屏蔽层通过地能够得到一个与中心线电流方向相反的电流。两电流产生的磁场互相抵消，使在屏蔽层的外面没有磁场辐射，从而起到磁屏蔽作用，如图2.11(a)、(b)所示。图2.11屏蔽体上有电流时的屏蔽作用屏蔽层与屏蔽盒的连接正确与否也很重要。正确的接法是：屏蔽层在芯线进入屏蔽盒的入口时就应与屏蔽盒连接，如图2.12(a)所示；否则，屏蔽层所耦合的外界干扰信号在屏蔽盒内会产生磁场，形成干扰，如图2.12(b)所示。(2)高频低电平导线的屏蔽。对于高频低电平导线，屏蔽的作用主要是防止外界对其的干扰。图2.12隔离电缆外皮与屏蔽盒的连接3.低频变压器的屏蔽变压器的铁心由铁磁材料制成，磁通绝大部分在铁心中形成闭合回路，但有小部分磁通(漏磁通)穿过周围空间而造成干扰，这将影响其附近的电子设备的正常工作，如放大器的调制交流声，因此必须对变压器进行屏蔽。变压器的常见屏蔽方法有两种。一种是在铁心侧面包铁皮，如图2.13(a)所示；另一种是在线包外面包一圈铜皮作为短路环，如图2.13(b)。漏磁通在环内感应涡流，而涡流所产生的磁场与漏磁场反向，所以短路环减少了漏磁场对外界的干扰。图2.13变压器的屏蔽4.电路的屏蔽电路单元屏蔽的一般原则如下：(1)在电子设备或系统具有不同频率的电路中，为防止相互之间的杂散电容耦合而造成干扰，对于振荡器、放大器、滤波器等都应分别加以屏蔽。(2)如果多级放大器的增益不大，则级与级之间可以不屏蔽；如果其增益大，输出级对输入级的反馈大，则级与级之间应加以屏蔽。(3)如果低电平级靠近高电平级，则需要屏蔽；如果干扰电平与低电平级的输入电平可以比拟，则应严格屏蔽。(4)根据电路特性决定是否屏蔽。电路是否需要屏蔽决定于电路本身的特点。如低输入阻抗的放大器受寄生反馈的影响比高输入阻抗放大器的影响要小。2.4 印制电路板布线的可靠性设计印制电路板布线的可靠性设计2.4.1 电磁兼容性设计电磁兼容性(EMC)是指电子系统及其元器件在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。EMC设计的目的是既能抑制各种外来的干扰，使电路和设备在规定的电磁环境中能正常工作，又能减少其本身对其他设备的电磁干扰。印制电路板电磁兼容设计具体体现在布线时，此时要注意以下问题：(1)专用零伏线、电源线的走线宽度大于等于1mm。(2)电源线和地线尽可能靠近，整块印制板上的电源与地要呈“井”字形分布，以便使分布线电流达到均衡。(3)要为模拟电路专门提供一根零伏线，以减少线间串扰。必要时可增加印制线条的间距。注意安插一些零伏线作为线间隔离。(4)印制电路板的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离；要特别注意电流流通中的导线环路尺寸；如有可能，在控制线(于印制板上)的入口处加接R-C去耦，以便消除传输中可能出现的干扰因素。(5)印制电路板上印制弧线的宽度不要突变，导线不要突然拐角(90)。传输线拐角要采用45角，以降低回损。(6)时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流，其印制导线要尽可能短；而对于电源线和地线这类难以缩短长度的布线，则应在印制板面积和线条密度允许的条件下尽可能加大布线的宽度。(7)采用平行走线可以减少导线电感，但会使导线之间的互感和分布电容增加。(8)为了抑制印制导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在使用一般电路时，印制导线间隔和长度设计可以参考表2.5所列规格。表2.5印制电路板防串扰设计规则2.4.2 高频数字电路PCB设计中的布局与布线为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，应注意以下要点：(1)高频数字信号线要用短线。(2)主要信号线最好集中在PCB板中心。(3)时钟发生电路应在板中心附近。(4)电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开，电路的布局必须减少电流回路，电源的分布必须是低感应的(多路设计)。(5)数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线，最好是紧挨着最不重要的地址引线放置地回路，因为后者常载有高频电流。输入、输出端用的导线应尽量避免相邻平行，如图2.14所示。图2.14数据总线的布线方式(6)尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角大于90，禁止环形走线等。这样也有利于提高印制导线耐焊接热的能力。(7)总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。(8)在印制板布线高速、中速和低速逻辑电路时，应按照图2.15的方式排列器件。(9)由于突出引线存在抽头电感，因此要避免使用有引线的组件。图2.15不同工作速度的逻辑电路在印制板上的排列顺序特殊元器件在电磁兼容性设计中还要遵循以下原则：(1)尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。(2)某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，避免放电，使引线意外短路。(3)根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下要求：按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号方向尽可能保持一致。以每个功能电路的核心组件为中心，围绕它来进行布局。在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。2.4.3混合信号电路PCB设计中的布局与布线混合信号电路PCB是指含有模拟电路和数字电路的PCB。混合信号电路PCB的设计很复杂，元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。1.混合信号电路PCB的电磁兼容设计中的布线原则(1)遵守常规的布线原则。(2)在印制电路板的所有层中，数字信号只能在印制板的数字部分布线，模拟信号只能在印制板的模拟部分布线。(3)实现模拟和数字电源分割。2.混合信号电路PCB的电磁兼容设计中的布局原则(1)遵循常规的元器件布局原则。(2)将PCB分区为独立的、合理的模拟电路区和数字电路区。(3)A/V转换器跨分区放置。(4)电源和地线单独引出。2.4.4单片机系统PCB设计1.单片机系统印制电路板设计要求印制电路板的设计对单片机系统能否抗干扰非常重要。要本着尽量控制噪音源，尽量减少噪音的传播与耦合，以及尽量减少噪音的吸收这三大原则设计印制电路板和布线。印制电路板要合理分区。印制电路板按单点接电源、单点接地的原则送电。2.单片机系统印制电路板设计技巧(1)把时钟振荡电路、高速逻辑电路部分用地线圈起来，让周围电场趋近于零。(2)I/O驱动器件、功率放大器尽量靠近印制电路板的边沿，靠近接插件。(3)能用低速的器件就不用高速的器件，高速器件只用在关键的地方。(4)使用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟发生器要尽量靠近用到该时钟的芯片。(5)使用45的折线布线，不要使用90折线，以减小高频信号的发射。电源线、地线要尽量粗。信号线的过孔要尽量少。(6)关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护地。若将敏感信号和噪声场带信号通过一条扁带电缆引出，则要用地线信号地线方式引出(见图2.14)。(7)任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小。(8)对A/D类器件，数字部分与模拟部分宁可绕一下也不要交叉。噪声敏感线不要与高速线、大电流线平行。(9)单片机及其他集成电路如有多个电源、地端，则每端都要加一个去耦电容，每个集成电路也要加一个去耦电容(独石电容或瓷片电容)。(10)单片机不用的I/O端口编程时要定义成输出。(11)需要时，电源线、地线上可加铜线绕制的高频扼流圈，用来阻断高频噪声的传导。(12)尽量不要使用集成电路插座，把集成电路直接焊在印制板上，因为插座有较大的分布电容。(13)若经济条件允许，可用多层板制作印制电路板。2.5 PCB电磁兼容设计中的地线设计电磁兼容设计中的地线设计2.5.1地线阻抗干扰任何导线(包括地线)都有一定的阻抗。阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。当频率较高时，导线的阻抗远大于导线电阻，如表2.6所示。因此，地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造成电路的误动作，导致电路工作的异常。表2.6导线的阻抗2.5.2地线环路干扰和抑制电源馈线接入电路后，电路接地，馈线和地线就构成一个环路，如图2.16所示。当交变磁场穿过这些环路网孔时，在环路中就产生感生电势em，em=d/dt。em会经过电源馈线(或信号线)产生地环流，对各电路单元造成干扰。这种干扰称为地线环路干扰。图2.16地环路的干扰1)使用隔离变压器如图2.17所示，采用隔离变压器可以有效地切断地环流。但是变压器绕组之间存在分布电容C，仍然能够为频率较高的地环路电流提供通路，因此采用隔离变压器的方法对高频地环路电流的抑制效果较差。图2.17采用隔离变压器阻隔地环路2)使用光耦合器采用光耦合器阻隔地环流是最常用的方法，如图2.18所示。用光连接有两种方法，一是用光耦器件连接，另一种是用光纤连接。光耦器件的分布电容一般只有2pF，即使在高频工作时也能提供良好的隔离；光纤连接几乎没有分布电容，隔离性能最好，但安装、维护、成本等方面都不如光耦器件。图2.18采用光耦合阻隔地环流3)使用共模扼流圈当传输的信号有直流分量或有很多频率的交流分量时，就不能用变压器而应用共模扼流圈隔离，如图2.19所示。图2.19共模扼流圈隔离地环流2.5.3公共阻抗耦合干扰和抑制当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合，如图2.20所示。图2.20公共阻抗耦合1)减少公共地线阻抗的设计只要布局许可，印制板最好做成大平面接地方式。在双层板上布地线网格时，如有可能，印制板的一面全部用铜箔做成接地平面，另一面作为信号布线。在多层板中专门用一层做电线。大平面接地方式有如下好处：(1)大平面接地可以降低印制电路的对地阻抗，有效地抑制印制板信号线之间的干扰和噪声。(2)大平面接地起着电磁屏蔽和静电屏蔽的作用，可减少外界对电路的高频辐射干扰以及电路对外界的高频辐射干扰。(3)大平面接地还有良好的散热效果，其大面积的铜箔犹如金属散热片，可迅速向外界散发印制电路板中的热量。如果无法采用大平面接地，则应在印制电路板的周围设计接地母线，接地母线的两端接到系统的公共接地点上。印制板上所有电路的地线都连接到离它最近的接地母线上，以降低地阻抗，如图2.21所示。接地母线在数字系统和高频电路中比较适用。接地母线应尽可能宽，其宽度至少为2.5mm。图2.21接地母线2)并联单点接地并联单点接地如图2.22所示，它是把各电路的地线接在一点上。这种接地方式的优点是不存在公共地线，各电路的接地点只与本电路的地电流和地阻抗有关。图2.22并联单点接地这种接地方式的缺点是接地的导线过多。对于相互干扰较少的电路，可以采用串联单点接地。例如，可以将电路按照强信号、弱信号、模拟信号、数字信号等分类，然后在同类电路内部采用串联单点接地，在不同类型的电路内部采用并联单点接地，如图2.23所示。图2.23串、并联单点接地思考题与练习题思考题与练习题1.影响电子设备可靠性的主要因素有哪些？2.晶体管散热器有哪几类？各有什么特点？3.元器件的筛选与电子设备的可靠性设计有什么关系？筛选的一般原则是什么？4.简述元器件降额使用与可靠性设计的关系。5.潮湿、盐雾、霉菌对电子设备有何危害？如何防范？6.静电屏蔽时为什么要将屏蔽体直接接地？试说明一般屏蔽物的结构要点。7.试说明电路单元屏蔽的一般原则。8.印制电路板散热有什么措施？9.在高频数字电路PCB的布局与布线中如何考虑电磁兼容设计？10.在混合信号电路PCB的布局与布线中如何考虑电磁兼容设计？11.电子设备内部印制板如何布置比较合理？12.试述地线中存在的干扰及抑制方法。