第2章 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 2.2 电子元器件的选用 2.3 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 2.5 PCB电磁兼容设计中的地线设计 思考题与练习题

2.1 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.

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(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(β)和共基极电流放大系数(α).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β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,