第五章電子系統(tǒng)的工程問題

1、第五章 電子系統(tǒng)設計中的工程問題5.1 概述5.2 電子系統(tǒng)的抗干擾設計5.3 電子設備熱設計5.4 可靠性設計5.5 印制電路板的設計與裝配5.1 概述 “工程”與“原理”一個電子系統(tǒng)，除需要達到預期的功能、指標外，還涉及到其它工程技術問題，如電磁兼容、可靠性等問題。實際上，這些也是系統(tǒng)其他方面的性能指標。主要的工程問題主要有：抗干擾、電磁兼容、熱特性、可靠性等等。 5.2 電子系統(tǒng)的抗干擾設計5.2.1 電磁干擾與電磁兼容問題5.2.2 干擾的類型5.2.3 干擾傳播的途徑5.2.4 干擾的主要形式 5.2.5 抗干擾設計方法5.2.1 電磁干擾與電磁兼容問題 在工業(yè)測試現(xiàn)場存在著嚴重的干

2、擾，如聲、電、光、磁、振動，以及化學腐蝕、高溫、高壓等。這些干擾會對安裝在工業(yè)現(xiàn)場的測量造成影響，輕則影響其精度，重則是系統(tǒng)無法工作。電磁干擾與電磁兼容概念 現(xiàn)代電子產品，功能越來越強大，線路也越復雜，電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）成了主要問題。電子設備的周圍充滿了電磁干擾信號，而其本身對其他設備而言是一個干擾信號源。提高設備的抗干擾能力，同時降低電子設備本身對周圍電磁環(huán)境的污染，這就是電磁兼容(EMC)問題。 EMC=Electro Magnetic Compatibility的定義：在同一電磁環(huán)境中，設備能夠不因為其它設備的干擾影響正常工作，同時也不對其它設備產生影響工作的干擾。

3、 電磁兼容設計就是針對電子產品中產生的電磁干擾進行優(yōu)化設計，使之能成為符合各國或地區(qū)電磁兼容性標準的產品。（國標GB/T4365-1995）EMC認證 產品的EMC認證是依據產品的電磁兼容標準和相應的技術要求，經過認證機構測試確認，并通過頒發(fā)認證證書和認證標志來證明某一產品符合相應標準和相應技術的要求。 在我國EMC認證已納入3C認證范圍(中國強制認證，英文名稱為“China Compulsory Certification”，英文縮寫為“CCC”，也可簡稱為“3C認證”)，國家對有強制性電磁兼容國家標準條款的產品實行安全認證制度，對這些實施電磁兼容安全認證的產品在進入流通領域實施強制性監(jiān)督管

4、理（沒有進行電磁兼容安全認證就不能進入流通領域)。EMCEMC結構圖結構圖1）電源（專項測試）2）屏蔽（網狀結構）3）接地4）結構導電性設備滿足電磁兼容須具備： EMI：分傳導干擾和輻射干擾傳導干擾：通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合（干擾）到另一個網絡。輻射干擾：干擾源通過空間把信號耦合（干擾）到另一個電網絡。在高速系統(tǒng)中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其它系統(tǒng)或本系統(tǒng)內其它子系統(tǒng)的工作。 EMI和EMC問題輻射干擾輻射干擾輻射包含兩部分：產品向外的輻射和外界對產品的輻射（通過場傳輸） 影響：影響：輻射超標抗干擾差傳導干擾傳導

5、干擾傳導包含兩部分：產品向外的傳導和外界對產品的傳導（通過線傳輸）。影響：影響：傳導超標：通過導線影響其它產品的正常工作。 抗干擾差：容易被其它產品影響電磁干擾三要素電磁干擾三要素1) 干擾源（能量源）2) 被干擾對象（接收器）3) 耦合路徑解決電磁干擾的方法：屏蔽、接地、濾波EMIEMI測試測試電磁屏蔽室電源濾波器電源濾波器通風板通風板電纜接線板電纜接線板通風板通風板分為傳導測試和輻射測試分為傳導測試和輻射測試EMIEMI常規(guī)測試項目常規(guī)測試項目o 靜電放電抗擾度GB/T17626.2;IEC61000-4-2o 電快速瞬變/脈沖群抗擾度GB/T17626.4; IEC61000-4-4o

6、輻射電磁場o 浪涌（雷擊）抗擾度o 注入電流抗擾度o 電壓暫降和短時中斷抗擾度電磁干擾（EMI）對電子設備可形成不同程度的危害，輕則可使設備的性能指標下降，重則可使設備不能正常工作，甚至可使機內較為脆弱的半導體器件擊穿或燒毀。在干燥的氣候條件下，人體可帶有上萬伏的感應靜電。此時，如果觸摸甚至靠近MOS類高阻抗器件，很可能導致器件損壞。防靜電服、釋放靜電電磁干擾的危害另外，過度的電磁干擾會危害人體健康，破壞生態(tài)平衡舉例：使用手機會對電視機造成干擾，在電視畫面上形成條紋；冰箱的啟動導致電腦的錯誤動作；使用心電儀器時若有人使用手機會對儀器產生干擾；客機在暴風雨中作緊急降落時其電子導航系統(tǒng)遭到電磁干擾

7、可能失效；5.2.2 干擾的類型 1) 自然干擾源 靜電、雷電及來自外太空的電磁干擾（如宇宙射線、太陽黑子、耀斑）等。這些干擾信號常常造成通信、廣播的中斷，造成設備的損壞。各類噪聲有自己的時、空分布。 2) 人為干擾源 對電子設備本身無用的信號即為干擾信號，如電臺發(fā)射的無線電波、繼電器的切換噪聲、汽車的點火電火花污染等。一、外部干擾一、外部干擾典型設備承受的干擾熱噪聲：主要由導體內部自由電子無規(guī)則的熱運動所產生的。這種噪聲除了在超低溫外是不可避免的，溫度越低噪聲越小，所以要盡量抑制溫度的上升。接觸不良引起的噪聲：電路布線的接觸不良引起的噪聲。二、內部干擾感應噪聲：由于電路元件或布線間的電磁感應

8、而造成的各電路的相互干擾所引起的噪聲。信號失真引起的噪聲：信號波形在電路中失真畸變而引起的噪聲。自激振蕩：具有放大功能的電路，其輸出信號的一部分通過“寄生耦合”以正反饋的方式加到電路的輸入端而產生不需要的自激振蕩形成的噪聲。內部干擾（續(xù)）內部干擾（續(xù)）5.2.3 干擾傳播的途徑 干擾信號作用于電子設備，有傳導和輻射兩種途徑。電子設備中的導線、元器件、結構體等都能形成傳導和輻射耦合通道。它們有時起著天線的作用，發(fā)射和接收干擾電磁波。 電磁干擾的傳播途徑：1、電場傳播電容耦合（原理）寄生電容2、磁場傳播變壓器原理 當接收電路距噪聲源較遠時（ ），噪聲源主要通過輻射電磁場傳播（天線效應），噪聲電壓為

9、： 式中：E輻射場強度； 天線有效高度； 當接收導線垂直部分高度 時，有效高度2reNEhVeh4hhhe213、輻射電磁場傳播4、導線傳播（介質傳播）（1）共電源噪聲的傳播靠近電源輸出端接入，消除公共線路阻抗影響（2）共接地線阻抗噪聲的傳播 大電流、小電流的地線 一定要分開或單獨接地共阻抗耦合共阻抗耦合5、信號輸出電路的串擾A路I變化，產生UI，影響到B及C路。應避免大電流輸出回路與其他輸出回路并聯(lián)工作。6、漏電流耦合 由于元件引腳、接線柱、印刷電路板、電容內部介質等都是有一定的絕緣電阻的，因此流過絕緣電阻的漏電流也會耦合干擾。特別是當漏電流流入高輸入阻抗放大器的輸入級時，影響特別嚴重。干擾

10、的主要形式1、空間干擾 空間干擾主要指電磁場在線路、導體、殼體上的輻射而引起的噪聲。干擾來自于系統(tǒng)的內部和外部，系統(tǒng)本身既可能接受外來干擾也可能對外產生空間干擾?？臻g干擾強度上小于過程通道干擾和供電系統(tǒng)干擾，空間干擾可用良好的屏蔽、正確的接地和布局設計解決。2過程通道干擾過程通道是電子系統(tǒng)相互通道進行信息傳輸的路徑。長線傳輸是干擾產生的主要原因。當傳輸線上的信息為脈沖波時，傳輸線會出現(xiàn)遲延、畸變、衰減與通道干擾耦合(串擾)，還接收空間電磁場的干擾。為保證長線傳輸的可靠性，可采用光電耦合隔離、雙絞線傳輸、同軸電纜傳輸、阻抗匹配及屏蔽等解決干擾問題。sUnUU1C2C線擾干)b(因原生產)a(式形

11、現(xiàn)表擾干模串6 -8圖s計 算 機 控 制 系 統(tǒng)計 算 機 控 制 系 統(tǒng)aI串模干擾模型串模干擾模型3供電系統(tǒng)干擾電子系統(tǒng)中最重要、危害最嚴重的干擾來自供電系統(tǒng)干擾。由于任何電源及線路都存在內阻，所以電網中出現(xiàn)的各種干擾信號都可能對電網中的各種設備包括電子系統(tǒng)產生干擾。例如:大功率設備，大感性負載設備的啟停使電網電壓大幅度漲落（浪涌），欠壓或過壓常常達到額定電壓的15% 以上。供電系統(tǒng)干擾問題通過穩(wěn)壓、隔離、濾波等措施加以解決。5.2.4 抗干擾設計方法 不同的干擾要采用不同的抗干擾辦法。電子系統(tǒng)抗干擾設計分為硬件和軟件軟件抗干擾使用靈活、成本低廉，但增加了軟件編程工作量和CPU運行時間，

12、而且對于某些干擾也難以消除，因此，在系統(tǒng)抗干擾設計時應將軟、硬件抗干擾措施有機地結合起來，使它們相輔相成，保證系統(tǒng)運行的可靠性。 1硬件抗干擾措施（根據干擾形式）(1)切斷來自電源的干擾任何電源及輸電線路都存在內阻，內阻是引起了電源的噪聲干擾。(如果沒有內阻，無論何種噪聲都會被電源短路吸收，在線路中不會建立起任何干擾電壓)電子系統(tǒng)中危害最嚴重的干擾源來源于電源。在某些大功率設備的電網中，對電源檢測，在50周正弦波上疊加有1000多伏的尖峰電壓。常見交流電源噪聲種類（1）過壓、欠壓（2）浪涌、下陷（1015），（3）尖峰電壓（4）射頻干擾可采用交流濾波器+交流穩(wěn)壓器基本措施:（1）交流進線端加交

13、流濾波器。濾掉高頻干擾，如電網上大功率設備啟停造成的瞬間干擾。濾波器安裝要加屏蔽并良好接地，進出線要分開，防止感應和輻射耦合。低通濾波器僅允許50Hz交流電通過，對高頻和中頻干擾有良好的衰減作用。（2）要求高的系統(tǒng)加交流穩(wěn)壓器。（3）隔離變壓器、橋式整流（4）采用集成穩(wěn)壓器進行穩(wěn)壓注意穩(wěn)壓器的壓降參數(LDO),可采用低壓差（5）直流輸出采用大容量電解電容進行平滑濾波。（6）交流電源線與其他線盡量分開，減少耦合干擾。交流電源線與直流電源線及信號線分開走線。典型線形電源設計開關電源設計：EMI濾波+DC-DC+電容電感等濾波(2)切斷來自過程通道的干擾（隔離與匹配） 模擬信號通過隔離放大器進行隔

14、離。由于切斷了系統(tǒng)與外界的一切電的傳輸聯(lián)系，因而過程通道中的干擾可以被有效地消除。（隔離運放） 數字信號采用光電耦合器隔離，也可有效地隔離過程通道中的干擾信號，特別是用于不同接地電位的系統(tǒng)之間的信號傳輸，如下圖所示。 采用變壓器隔離（射頻）繼電器隔離（開關量） 分為機械和固態(tài) 模擬地和數字地分開，避免公共地阻抗對模擬信號和數字信號產生耦合作用。 用電流傳輸代替電壓傳輸，可獲得較好的抗干擾能力。這是因為干擾噪聲雖有較大的電壓幅度，但能量小，只能形成微弱電流而被抑制。光電耦合器就是工作在電流狀態(tài)，干擾信號產生的弱電流無法形成足夠的光通量，因而傳輸中斷。 采用雙絞線或同軸電纜傳輸。使用平行線時，當信

15、號線周圍電磁場發(fā)生變化，信號線上就感應了干擾噪聲：（1）圖 (a)所示，使用雙絞線傳輸時，雙絞線能使各個小環(huán)路的電磁感應干擾相互抵消，故對電磁場變化引起的干擾具有一定的抑制效果。（2）圖 (b)是使用同軸電纜傳輸示意圖，由于同軸電纜外殼有屏蔽作用，只要注意正確接地，就可以有效地抑制電磁干擾。目前流行光纖傳輸 長線傳輸的阻抗匹配。長線傳輸時，阻抗不匹配的傳輸線會產生反射，使信號出現(xiàn)畸變、衰減，導致信號失真。為了對傳輸線進行阻抗匹配，必須估算出它的特性阻抗。（主要針對高頻） 注意元件的安裝位置與角度。特別是變壓器、電感線圈等產生的磁場因具有特定的方向性，應考慮它們對其他電路的影響。 濾波 采用濾波

16、器使信號與干擾在頻譜上分離。為了減少寬帶噪聲干擾，在可能條件下，使電路的各個環(huán)節(jié)做成窄帶，以限制噪聲。高頻電源、交流電源、強電設備產生的電火花甚至雷電，都能產生電磁波，從而成為電磁干擾的噪聲源。當距離較近時，電磁波會通過分布電容和電感耦合到信號回路而形成電磁干擾；當距離較遠時，電磁波則以輻射形式構成干擾。解決方法：屏蔽屏蔽技術的基本原理時把電路線和磁力線的影響限制在某一個范圍，即隔離“場”的耦合。常用低電阻的金屬材料（如銅和鋁）制成一個空腔的金屬盒，將電路置于屏蔽盒，并將屏蔽盒良好接地；用高導磁材料做屏蔽罩，使干擾磁場的磁力線在屏蔽罩內構成磁通路，防止低頻磁場干擾。 屏蔽技術電場屏蔽主要是防止

17、高頻電磁波輻射的干擾，以金屬網或金屬盒構成的屏蔽體有效對付電磁波的干擾。屏蔽體以反射方式和吸收方式來削弱電磁波，形成對電磁波的屏蔽作用。磁場屏蔽磁場屏蔽是防止電極、變壓器、磁鐵、線圈等的磁感應和磁耦合，使用高導磁材料做成屏蔽層，使磁路閉合，一般接地。(3)抑制空間干擾（屏蔽與接地） 加大印刷板間的間隔，加大導線間、元器件間的間隔，導線之間添加接地線等。 系統(tǒng)中敏感部件遠離開關功率源。 長線傳輸使用同軸電纜或屏蔽線。 使用金屬機殼并接地屏蔽，若采用塑料機殼，應在內層涂金屬作為屏蔽層。 接地設計: 地的分類：信號地，電源地，大地（安全地、屏蔽地、防雷接地）等。 安全地：防止發(fā)生人身傷害事故而將機殼

18、接大地信號接地方式信號接地方式 懸浮地、一點接地，多點接地、混合接地 地：地是信號的參考電位，以地為0電平，理想的情況下地線上任兩點間的電位差為零，但實際上地線仍然要用金屬導體來實現(xiàn)，不可避免的存在導線的阻抗，同時地線也是信號回路的一部分，是信號電流回流的必經之路，這樣就在地線上形成了電位差。 當各種信號電流流經同一地線阻抗時，形成了公共阻抗干擾。為了減少地線引起的干擾，采用合適的接地方式。PCB接地總結:主要防止電路中的公共地線電阻引起干擾，正確的接地與屏蔽可以解決大部分的干擾問題： (a)單點接地與多點接地選擇。在低頻電路中，導線與元器件間的電感影響較小，采用一點接地；在高頻電路中，地線阻

19、抗很大，應盡量降低地線阻抗，采用就近多點接地法。 (b)數字信號地與模擬信號地分開連接，最終單點相連，消除地電路經過公共阻抗而產生的干擾。 (c)接地線盡量加粗，盡可能減小地線阻抗，從而減小公共阻抗耦合而產生的干擾。 (d)將數字地做成閉合的網格，可以降低各元器件之間的地線電位差，提高抗干擾能力。 電源線布置根據電流的大小盡量加大線條寬度；利用電源線高頻阻抗小的特點，將它與邏輯信號線平行布線，以起到與地線相似的隔離作用。但電源線應遠離敏感信號線，以減少干擾。 配置去耦電容 在印刷電路板的各個關鍵部位配置去耦電容是印刷電路板設計的一項常規(guī)做法，它包括以下幾個方面： (a)在電路板電源輸入端跨接一

20、個10100uF(或更大)的電解電容，消除電源中的低頻干擾。 (b)在每個關鍵集成電路芯片的電源輸入端跨接一個0.01uF的貼片電容或瓷片電容，消除電源中的高頻干擾。 (c)去耦電容的引線不能太長，特別是高頻旁路電容不能有長引線。 印刷電路板尺寸與器件布置 印刷電路板過大時，印刷線條長，阻抗增加，不僅抗干擾能力下降，而且成本提高；過小，散熱不好，且易受鄰近線條干擾。 元器件布置應遵循以下原則： (a)相關器件應盡量放得靠近些。例如：晶振和時鐘信號輸入端應相互靠近些，最好有地線跟隨。 (b)遠離易產生噪聲的器件。例如：信號線與其他器件應盡量遠離晶振。 (c)邏輯電路應遠離大電流噪聲電路。例如：控

21、制電路與驅動電路應分板制作。 電磁兼容控制的一般策略表高頻布線的抗干擾問題（50MHz以上）具有微處理器的電子系統(tǒng)，抗干擾和電磁兼容是設計要點，特別對于時鐘頻率高、大功率、大電流、含微弱信號、高精度AD系統(tǒng)，措施：1）控制器性能滿足要求，時鐘頻率越低越好。方波包含各種頻率成分，高頻部分可能就是噪聲源，時鐘頻率的3倍高頻噪聲最危險(信號完整性)2）高頻信號在銅膜線傳輸時，會發(fā)生畸變，所以銅膜線越短越好3）高頻信號會對其它高輸入阻抗的信號產生干擾，需要對弱信號隔離4）高頻情況下，銅膜線、焊盤、過孔、電阻、電容、接插件的分布電感需要考慮5）電路板以外的引線需要屏蔽，高頻信號的屏蔽層兩端須接地6）對噪

22、聲和干擾敏感的電路或高頻噪聲嚴重的用金屬罩屏蔽7）將模擬地、數字地、大功率器件地分開，最后匯總到電源接地點8)就近多點接地。地線上具有電感，增加了地線阻抗，同時各地線之間會產生電感耦合。當頻率高時，特別是當地線長度等于14波長的奇數倍時，地線阻抗就會變得很高，這時地線變成了天線，會向外輻射噪聲。(多層板設計)2軟件抗干擾措施電子系統(tǒng)中，干擾源并不能造成硬件系統(tǒng)的損壞，但常常使電子系統(tǒng)不能正常運行。雖然系統(tǒng)硬件抗干擾措施能夠消除大部分干擾，但它不可能完全消除干擾。因此，電子系統(tǒng)的抗干擾設計必須把硬件抗干擾和軟件抗干擾結合起來。 在電子系統(tǒng)中常用的軟件抗干擾措施有以下幾種： (1)數字濾波 在數采

23、系統(tǒng)中，干擾信號疊加在信號上使數據采集的誤差加大，特別是傳感器信號為小信號輸入，干擾現(xiàn)象尤為嚴重。抑制干擾常用的方法是硬件電路進行濾波，要獲得較好的抑制效果，硬件電路須十分復雜。采用軟件實現(xiàn)濾波（數字濾波）則是當前干擾抑制技術中的一種新技術，數字濾波常用的方法有以下幾種： 程序判斷濾波 這種濾波方法是根據人們的經驗，確定出兩次采樣輸入信號可能出現(xiàn)的最大偏差 ，若本次輸入信號與上次輸入信號的偏差超過 ，就放棄本次采樣值，僅當小于此偏差值時才作為本次采樣值。yy 中值濾波（犧牲采樣率） 對一個采樣點連續(xù)采集多個信號，取其中間值作為本次采樣值。 算術平均濾波法（犧牲采樣率） 對一個采樣點連續(xù)采樣多次

24、，計算其平均值，以其平均值作為該點采樣結果，即 其中: 第k次N個采樣值的算術平均值； 第k次采樣點的第i次采樣值： N 每一個采樣點的采樣次數。 niiXNkY11 kY iX 一階遞推數字濾波 這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，實現(xiàn)用軟件方法替代硬件RC濾波器。一階遞推數字濾波公式為 其中： Q 濾波平滑系數，取值范圍為OQ1； 本次采樣值； 上次濾波結果輸出值； 本次濾波結果輸出值。 kQXkYQkY11 kX1kY kY復合濾波 為了提高濾波效果，往往將兩種以上的濾波方法結合在一起使用，即為復合濾波。例如將中值濾波與算術平均值濾波方法結合在一起，將采樣點的最大值與最小值去除，

25、然后求出其余采樣值的算術平均值，則可取得較好的濾波效果。 (2) 設置自檢程序軟件中加設自檢程序，在系統(tǒng)運行前和運行中不斷測試電子系統(tǒng)內部的運行狀態(tài)，對出現(xiàn)的錯誤狀態(tài)進行及時處理，以保證系統(tǒng)運行的可靠性。(3) 設置監(jiān)視定時器使用監(jiān)視定時器中斷來監(jiān)視程序運行狀態(tài)的抗干擾措施。定時器的定時時間稍大于主程序正常運行一個循環(huán)的時間，在主程序中加入對定時器時間常數刷新操作；只要程序正常運行，定時器就不會出現(xiàn)定時中斷；當程序失常時，定時器因不能得到刷新而導致定時中斷，利用定時器中斷產生的信號將系統(tǒng)復位，或利用定時器中斷服務程序作相應的處理，使系統(tǒng)恢復正常運行。(4) 軟件消抖動、校驗糾錯等優(yōu)點：1）軟件

26、抗干擾降低了系統(tǒng)成本又提高了系統(tǒng)的可靠性。2）軟件抗干擾編寫靈活、方便，可以隨時改變選擇的算法或改變參數。缺點：1）增加了CPU的運行時間，不適用于速度要求較高的應用場合。2）局限性，對于某些干擾也難以奏效，不可能完全取代硬件抗干擾措施因此，應根據實際情況權衡利弊，選擇使用軟、硬件抗干擾措施。 總結5.3 電子設備熱設計原因：能量消耗轉變成熱消耗定義：利用熱傳遞技術，降低發(fā)熱元器件(例如電子管、功率晶體管和大功率電阻等)和部件(例如電源變壓器等)本身的溫度，使電子設備整機內部溫升降低到所要求的范圍，以提高設備抗溫度應力的能力，這種可靠性設計叫做熱設計。 電子器件的故障與其工作溫度有密切關系：對

27、溫度最為敏感：半導體器件和微電路，故障率隨溫度的增加而指數地上升。熱對系統(tǒng)可靠性的影響熱對系統(tǒng)可靠性的影響摘自摘自 美空軍整體計劃分析報告美空軍整體計劃分析報告熱量產生的原因熱量產生的原因電子設備經受的熱應力來源于以下幾個方面： （1）工作過程中，功率元件耗散的熱量。 （2）電子設備周圍的工作環(huán)境，通過導熱、對流和輻射的形式，將熱量傳遞給電子設備。 （3）電子設備與大氣環(huán)境產生相對運動時，各種摩擦引起的增溫。 熱設計目的熱設計目的電子設備熱設計目的：利用熱傳遞特性對電子設備的耗熱元件以及整機或系統(tǒng)采用合適的冷卻技術和結構設計，以對它們的溫升進行控制，從而保證電子設備或系統(tǒng)正常、可靠地工作。熱設

28、計原則熱設計原則熱設計滿足兩個條件:把產品的溫度限制在某一最大和最小的范圍內（以器件工作溫度為準）；盡量使電子設備內各點之間的溫差最小。1）電子設備（包括器件）的熱特性2）發(fā)熱功率3）散熱面積4）最高允許的工作溫度和儲存溫度熱設計要求：1）滿足性能要求下，盡可能減少儀器內部熱量2）降低設備熱阻3）保證設備和器件在較低溫度下工作，減少參數飄移 熱傳遞的方式：傳導、對流、輻射。 一般來說，這三種形式在電子系統(tǒng)的熱傳輸中所占的比例分別為60、20、20。針對電子設備熱產生機理和傳播方式，常用的熱設計有3種：一、熱源處理1.1 降額使用元器件工作在低于元件額定參數（功率、電壓、電流）的條件下，以提高使

29、用壽命器件選型：同樣功能的低功率器件、溫度不敏感元器件；片狀電阻、線繞電阻(少用碳膜電阻)、獨石電容、鉭電容(少用紙介電容)、MOS/CMOS電路、硅管(少用鍺管)1.2 特種元器件溫度補償與控制1）選用溫度不敏感的元器件2）選用特定溫度系數的元器件1.3 合理設計印制電路板結構1）印制板上電源線、地線、信號線的走線要合理，電路板上導線用金、銀、銅制成，以減小導線電阻，減少熱源2）采用多層板制作，使電源線、地線、控制線獨自一體，各占一面，外加散熱裝置，利用熱傳導3）發(fā)熱高、輻射大的元件可專門設計安裝在一塊印制板上，密封、隔離、接地4）印制板上的地線盡量加寬，環(huán)繞在外框，利于發(fā)熱元件直接用它傳熱

30、二 熱阻處理熱阻用來說明發(fā)熱元件向外環(huán)境的熱轉換能力。 定義：熱量在熱流路徑上遇到的阻力。溫差越大，熱流量就越大。TRQ 熱阻的單位是/W。2.1 元件的合理布局可減小熱阻1）元件安裝在最佳自然散熱位置2）元件熱流通道盡可能短，橫截面要大，通道中不應有絕熱或隔熱物體3）發(fā)熱元件不能密集安裝，排列要適中2.2 散熱裝置1）散熱裝置遠離溫度敏感元件2）散熱裝置與元件接觸面光滑、平整3）采用通風口機箱的空氣流動方向4）熱敏器件不在熱流通道；5）元器件和結構距離 13mm，利于空氣流動；6) 散熱裝置安裝位置合適，散熱片垂直與印制板7）發(fā)熱器件在機箱上方，怕熱器件在下方，盡量利用機箱金屬殼體散熱，通風

31、口要利于空氣對流三 降溫處理自然冷卻裝置無法保證電路正常工作時，需要增加外部制冷設備實現(xiàn)降溫處理。3.1 等溫處理采用溫度平均對稱電路，使兩個與溫度有關的元件在同一溫度場，形成對溫度的相同感應，使溫度影響一致。（如差分放大器、電橋電路等等）3.2 控溫處理增加專門制冷設備（空調、風扇、水、油等），對內部、外部環(huán)境實現(xiàn)降溫處理，還可采用溫度傳感器作輔助控制電路，一旦控溫電路失效，溫度升高則需報警。整機的散熱 機箱開通風孔，安裝排風扇。在利用排風扇散熱時，注意風路的設計，使主要的發(fā)熱元件處于風路上。此時機殼的通風孔并非越多越好，必須與風路設計統(tǒng)一考慮，同時兼顧通風孔對電磁干擾等問題的影響。 許多電

32、子設備帶有金屬外殼，常用來兼做散熱器，將功率器件直接安裝在外殼上，注意電絕緣和安全問題。增加云母片、導熱硅脂等材料散熱、絕緣等5.4 可靠性設計 可靠性設計是以概率論、數理統(tǒng)計為基礎，綜合應用電子學、可靠性物理學、機械工程學、系統(tǒng)工程學等多方面知識的一種綜合性設計。 設備的可靠性定義的要素是“三規(guī)”：規(guī)定條件、規(guī)定時間、規(guī)定功能。 可用平均故障時間MTBF來描述： MTBF=總工作時間/故障次數（h） 整機的可靠性與它所使用的元器件的可靠性、元器件的數量、電路的設計質量、系統(tǒng)的可靠性結構類型等有關。 元器件的可靠性用失效率 表示， (t)的定義：產品在t時刻后的單位時間內失效的產品數與在t時刻

33、還在正常工作的產品數的百分比值。它是時間的函數(隨時間而老化)： 失效個數/正常個數時間 r:失效個數 N：未失效個數 t:時間間隔 元器件失效率參數 由生產廠家提供，應按照電子系統(tǒng)的可靠性要求和成本控制要求等選擇使用。 tNrt)( 電子設備、電子元器件、機械產品等的失效率一般為：浴盤曲線早期失效期：由于先天不良而導致的失效，如設計、制造、貯存等形成的缺陷。偶然失效期：失效主要由非預期的過載、誤操作、意外的天災等偶然因素引起。耗損失效：由于產品已經老化、疲勞、磨損等耗損原因引起。 串聯(lián)系統(tǒng)：系統(tǒng)的任一單元失效就會導致整個系統(tǒng)失效的系統(tǒng)。串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖：假定各單元是統(tǒng)計獨立的，則其可靠性

34、數學模型為： （i=1,2, n）其中： 系統(tǒng)可靠度 第i單元可靠度可靠度：在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的概率，一般記為R串聯(lián)系統(tǒng)應選用失效率低的或集成度高的器件aRiRniiaRR1串聯(lián)系統(tǒng)可靠性并聯(lián)系統(tǒng)可靠性 并聯(lián)系統(tǒng)：系統(tǒng)的所有單元失效才會導致整個系統(tǒng)失效的系統(tǒng)。 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖： 假定各單元是獨立的，則其可靠性數學模型為：式中， -系統(tǒng)可靠度； -第i單元可靠度； -第i單元不可靠度niiniiaRFR11)1 (11aRiRiF重要部件與電路應采用可靠性并聯(lián)結構設計 定義：定義：在設計階段，根據所選用的電路形式、元器件、可靠性結構模型、工作環(huán)境、工作應力以及過去積累的

35、統(tǒng)計數據，推測產品可能達到的可靠性水平，三種可靠性預計方法： (1) 有源器件法。按設備為完成規(guī)定功能所需的串聯(lián)有源器件的數目預計設備失效的方法。 (2) 元器件計數法。根據組成設備的各類元器件的通用失效率及其使用數量，來預計設備失效率的方法。 (3) 元器件應力分析法。是考慮了溫度、電應力、環(huán)境條件、元器件選用及電路等情況對元器件失效率的影響，先預計各個元器件在上述諸因素影響下的失效率，然后再預計設備總的失效率的一種方法，此方法較精確，可滿足工程設計精度要求?？煽啃灶A計可靠性預計系統(tǒng)可靠性設計的基本任務： 在現(xiàn)有元器件水平的基礎上，從設備或系統(tǒng)的總體設計、元器件選用、降額設計、散熱設計、穩(wěn)定

36、性設計、電磁兼容設計、耐環(huán)境設計、工藝設計以及維修性設計等各方面，采取各種措施，在質量、體積、性能、費用、研制時間等因素的綜合權衡下，實現(xiàn)設備或系統(tǒng)既定的可靠性指標。（1）元器件正確選用、刷選盡量選用經過質量認證，并經現(xiàn)場試用，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，而是由于使用者對元器件選擇不當或使用有誤。航天部半導體器件失效分析中心的統(tǒng)計數字：可靠性可靠性設計技術設計技術 質量等級：是指元器件裝機使用之前，在制造、試驗及篩選過程中其質量的控制等級。 它對元器件的失效率有很大的影響。 國產電子元器件的優(yōu)選順序國產電子元器件的優(yōu)選順序n 按國家

37、標準（GB）、國家軍用標準（GJB）、“七?！奔夹g條件（QZJ）、電子工業(yè)部標準（SJ）執(zhí)行元器件的質量等級元器件的質量等級元器件的選擇與控制元器件的選擇與控制o 目的n保證元器件的性能、質量等應滿足產品要求；n保證暢通的采購渠道、穩(wěn)定的貨源；n減少品種；n降低采購費用；n正確的使用。o 選擇控制的總原則n元器件的技術性能、質量等級、使用條件等應滿足產品要求；n優(yōu)先選用經實踐證明質量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途且供應渠道可靠的標準元器件；n在產品設計時，應最大限度地壓縮元器件的品種、規(guī)格及其生產廠點；n要嚴格控制新研元器件的使用。（2）降額設計降額：使元器件在低于 其額定值的應力 條件下工作。降

38、額設計概念降額設計概念o 降額設計概念與目的降額設計概念與目的n 降額設計就是使元器件或設備工作時承受的工作應力適當降低于元器件或設備的額定值；n 降低基本故障率、提高使用可靠性的目的；n 降額主要因素：電應力和溫度n 降額設計的關鍵：降額的程度與效果；o 降額等級降額等級n 級降額：最大適用于故障危及安全、導致任務失敗和造成重大經濟損失的情況；n 級降額：適用于故障使任務降級和增加不合理的維修費用；n 級降額：適用于故障對任務完成影響很小和少量的維修。降額準則說明降額準則說明 電阻一般從功率角度降額，電容從壓降，二極管從反向擊穿電流，集成芯片從頻率等角度。 降額可提高可靠性，但要綜合考慮可靠

39、性、體積、重量和費用等問題，一般參照GJB/Z-35元器件降額準則。（3）熱設計的基本準則： 降低熱源 合理布局 有效散熱（4）電磁兼容性設計屏蔽濾波接地 （5）漂移設計：由于元器件的性能參數會隨時間而發(fā)生緩慢變化-漂移。為防止漂移失效，即要選擇參數穩(wěn)定的元器件，并添加溫度補償電路，又要經濟合理。 （6）三防設計： 三防：防潮濕、防鹽霧、防霉菌。 防潮：防水處理、灌封處理、塑料封裝、金屬封裝。 防鹽霧：電鍍、表面涂敷。 防霉菌：密封滅菌、放干燥劑、降低環(huán)境相對濕度、紫外線輻照、表面涂防霉劑。 （7）冗余設計： 冗余設計：額外附加一些裝置或手段，即使其中某一部分出現(xiàn)了故障，但作為整體仍能正常工作

40、的一種設計。（8）維修性設計： 電子設備一般都是可修復產品。不但要求少出故障，而且要求一旦出了故障時能很快修復。 維修性設計幾個考慮方面：易裝易拆、易檢查易校準易恢復、互換性好等。（9）印制電路板計算機輔助設計（10）人為因素設計人機交互界面友好，操作簡單、便利、自動化程度高，軟件增加抗干擾設計。工藝結構可靠性設計1)隔振和緩沖 電子設備在運輸，發(fā)射或外跌落等過程中將承受不同程度的振動與沖擊力，結構設計和大質量元件安裝須考慮專門的隔振與緩沖。 常用的有橡膠減振器和金屬彈簧減振器。 2)防腐蝕設計 電子設備接觸大氣、土壤、海水等，都將產生不同程度的腐蝕，特別是長期處于鹽霧、酸霧、高溫下工作的電子

41、設備，以及在野外、地下長年工作的無人值守的電子設備，其電子元件和結構都應考慮采取防護設計。 通常采用表面涂覆、鍍層、防銹油、密封、灌封等方法。3)防塵、防爆 電子設備中的開關、繼電器、電刷等帶觸點部分的元件，染塵后將影響性能，對這一類有特殊要求的電子設備，通常對整機作全封閉處理。5.5 印制電路板的設計與裝配PCB的基本知識印刷電路板也稱PCB板,它是在敷銅板上用腐蝕的方法除去多余的銅箔、保留必要的銅箔作為導體而得到的可焊接電子元件的電路板。腐蝕后留下的可焊接元件的銅箔電路絕緣基板其分為： 單面板 雙面板 多層板印制電路板功能1：提供集成電路等元器件固定、裝配的機械支撐2：實現(xiàn)集成電路等元器件

42、之間的布線、電氣連接（信號傳輸）或電絕緣，提供所要求的電氣特性，如阻抗、容抗等等3：為自動裝配提供阻焊圖形，為元器件檢查、維修提供識別圖形標準按材質類型分類：1、剛性印刷板2、柔性印刷板電路板的層（Layer ） 電路板層為銅箔層, 如下：其分為： 單面板 雙面板 多層板頂層頂層 TopTop過孔過孔 ViaVia底層底層 BottomBottom中間層中間層 MidMid絕緣層絕緣層多層板各種膜（Mask） 焊盤阻焊膜（Solder Mask）絲印膜（Silkscreen）助焊膜（Past Mask）原理圖繪制原理圖繪制在設計PCB印制板前需先行繪制原理圖，保證不會出現(xiàn)電路原理上的錯誤；資料

43、完整；添加元件速度快。原理圖繪制的基本原則：（1）符合人的讀圖習慣（2）盡量體現(xiàn)出電路原理方面的結構、特點等，容易理解（圖形文件）（3）符合一定的技術標準原理圖中的幾個要素：（1）元件：元件標號、參數和型號、封裝等（2）連線：細線、總線等（3）網絡標號（4）注釋原理圖設計原理圖設計原理圖繪制的步驟與考慮（1）布局1）電路主要部分布在圖紙的中間部分，次要部分布在圖紙的周圍2）以信號的流程為導向，從左到右、從上到下排列3）屬于同一電路單元內的元件集中放置4）不同電路單元之間留有間隔（電路圖是有節(jié)奏的）5）整個圖紙布局要相對勻稱，清晰 6）特殊元件的位置要體現(xiàn)出元件的功能和要求（2）布線橫平豎直，減

44、少交叉，便于視線追蹤 對于相同性質的多根連線使用總線連接 對于連接距離比較長的連線用網絡標號連接PCB的設計一、設計工具：Protel98/99二、設計過程：PCB板的設計可分為設計準備、網絡表輸入、規(guī)則設置、元器件布局、布線、檢查、復查和輸出8個步驟。 1) 印制電路板設計準備。 (1) 標準元件的建立 (2) 特殊元件的建立 (3) 具體設計文件的建立。 2) 網絡表輸入。 3) 規(guī)則設置。 4) 元器件布局和布線。器件布局注意事項：布局需要注意以下事項： 1、布局的首要原則是保證布線的布通率，移動器件時注意飛線的連接，盡量把有連線關系的器件放在起； 2、數字器件和模擬器件要分開、盡量遠離

45、； 3、去耦電容盡量靠近器件的電源引腳； 4、放置器件時要考慮將來焊接和裝配時的便利性，不要太密集； 5、多使用軟件提供的整體排列和編輯功能，以提高布局的效率。布線方式有兩種，手工布線和自動布線。通常兩種方法混合使用，可以提高布線的效率。布線主要注意： (1)器件引腳間距為0.5mm的板布線時，常用手工布線方式； （2）電源線的布線應盡可能加粗，在空白區(qū)域可以大面積覆銅； （3）高頻信號如差分線，平行走線，輸出到輸入整條線粗細一致；5) 5) 檢查、復查和印制電路板圖輸出檢查、復查和印制電路板圖輸出 可利用軟件提供的檢錯印制電路板基本知識1) 基材，可分為剛性覆銅箔板、復合材料基板和特殊基板三

46、種。 2) 過孔，作用上看過孔分成兩類：一是用做各層間的電氣連接；二是用做器件的固定或定位。工藝制程上看分為三類，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。 盲孔位于印制電路板的頂層和底層表面，具有一定的深度，用于表層線路和下面的內層線路的連接，孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。 埋孔是指位于印制電路板內層的連接孔，其不會延伸到電路板的表面。上述兩類孔都位于電路板的內層。 通孔則穿過整個電路板，可用于實現(xiàn)內部互連或作為元件的安裝定位孔。印制電路板基本知識3) 導線 (1) 導線寬度，導線寬度應盡可能選擇寬，主要考慮電流負荷。 (2) 導線間

47、距，最小間距主要考慮信號頻率、電壓等因素，一般有安全間距。4) 焊盤，固定元器件的引腳 (1) 焊盤尺寸，焊盤尺寸與引腳尺寸、布線寬度有關。 (2) 焊盤形狀，焊盤主要由圓形、方形、橢圓形等。印制電路板基本知識5）PCB版的制作流程： 設計PCB板圖、光繪成正像膠片、準備敷銅板、上保護油墨、曝光、清洗、腐蝕、上阻焊油墨、曝光、清洗、印字符、上助焊劑PCB的設計注意事項（1）熱穩(wěn)定性（2）抗干擾性能（3）機械強度（4）布線及加工工藝（加工精度和成本）熱穩(wěn)定性意義：電子電路對溫度的變化比較敏感（參數變化），耐受高溫的能力也比較差（燒毀或壽命縮短），所以在設計印制電路板時必須考慮電路板的散熱和電路的

48、熱穩(wěn)定性，使電路在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內都能正常工作。不利因素：印制電路板本身是熱的不良導體；在平面安裝時不利于熱空氣對流（不透氣）；元件的安裝密度越來越大，體積越來越小；考慮因素：任何電路元件只要通電就會有損耗、就會發(fā)熱，設計印制電路板時主要是通過合理地安排元件的布局，盡可能有利于散熱和減少溫度的影響。 熱穩(wěn)定性設計 （1）溫度敏感和發(fā)熱量元件大盡量靠近電路板的邊沿安裝； （2）將發(fā)熱元件安裝在高位，溫度敏感元件安裝在低位 （3）給發(fā)熱元件、溫度敏感元件下面打散熱孔，解決對流問題。 （4）給發(fā)熱元件加裝散熱器（分為自然、風冷.），并使熱量盡可能的排到機箱外 （5）使用導熱硅脂等輔助材料 一個平

49、面安裝的電路板各元件均勻分布且發(fā)熱量相等（稱為均勻熱負載），則熱平衡后板上溫度分布如圖所示：溫升2、抗干擾性能設計（1）干擾敏感元件和干擾源之間拉開距離，并隔離如導線隔離、元件隔離、電源地線層隔離，布線層隔離； （2）干擾敏感元件和干擾源之間變換方位，如導線避免平行，垂直安裝；（3）干擾敏感元件和干擾源之間的頻譜錯開，減小帶寬（濾波）； （3）合理進行地線層分割，合理選擇接地方式，如數字模擬地分開等；（4）加寬電源、地線寬度，盡量用大面積接地，做好電源濾波；（5）減少電路板面積，降低信號回路的面積，減少導線長度，盡量使用表面安裝方式。 3、機械強度設計（1）印制板的尺寸不能太大；1.0mm； （3）大尺寸應采取加固措施，周邊固定，中間支撐； （4）減小元件重量，重量較大的元件不能安裝在印制板或者專門加固； （5）元件的安裝高度控制在7-9mm； （6）外接導線要固定，插頭插座要鎖定； （7）元件和電路板不能有明顯的共振點。4、布線及加工工藝（