电子设备实用可靠性设计方法，可靠性标准中没有哟！

Posted 2021-04-19 可靠性知识

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电子设备可靠性是指电子设备在规定的条件下，在给定的时间内执行所要求的功能不出现失效的概率。一旦产品研制成功后，一般就认为产品设计已经结束了。产品可靠性更关注下一步会发生什么，如何能提高产品可靠性？

 

关键在设计，可靠性首先是设计出来的。电子设备在可靠性设计过程中，应关注以下方法，其和产品的可靠性设计水平息息相关。

电磁兼容设计---接地设计

 

接地技术是电子通讯设备必须采用的重要技术，众所周知，电磁兼容设计三大措施为：接地、屏敞和滤波。

通过现场和试验统计调查，有80%以上的故障源于接地设计不良，正确的接地不仅是保护设备和人身安全的必要手段，也是电子设备稳定可靠工作的重要条件。如果接地设计不好，轻则导致设备运行不稳定，如程控数字交换机的呼损增大、光电传输设备的误码率增加、故障率上升，重则导致设备无法正常工作、甚至发生重大事故、使设备毁坏，这方面的例子很多，造成的损失无法估量。

接地设计的基本原理：好的接地系统是抑制电磁干扰的一种技术措施，其电路和设备地线任意两点之间的电压与线路中的任何功能部分相比较，都可以忽略不计；差的接地系统，可以通过地线产生寄生电压和电流偶合进电路，地线或接地平面总有一定的阻抗，该公共阻抗使两两接地点间形成一定的压降，引起接地干扰，使系统的功能受到影响。从而影响产品的可靠性。

接地设计的基本原则是电位相同、内部电路不互相干扰、抵御外来干扰。各种地电位相同使不同性质的电路有一个统一的基准电位，保证电路功能的顺利实现。电位相同要求不同的地就近相连。内部电路不互相干扰要求不同的地在较远处相连。所以，电位相同和不互相干扰是一对矛盾的双方，在何处相连应考虑哪一方占主导地位。当设备受到的外来干扰（例如：ESD干扰，EFT干扰，辐射干扰）较大时，提高设备对外来干扰的抵御能力上升为主要矛盾，这时，各种地应合并为大面积接地。

 

电子设备静电放电（ESD）防护

 

静电是物体表面的静止电荷。物体在接触、摩擦、分离、感应、电解等过程中，发生电子或离子的转移，正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡，就形成了静电。当物体表面的静电场梯度大到一定的程度，正电荷和负电荷发生中和，就出现了静电放电（ESD）。

静电放电可以出现在两个物体之间，也可由物体表面静电荷直接向空气放电。静电作为一种普遍物理现象，近十多年来伴随着集成电路的飞速发展和高分子材料的广泛应用，静电的作用力、放电和感应现象引起的危害十分严重，美国统计，美国电子行业部门每年因静电危害造成损失高达100多亿美元，英国电子产品每年因静电造成的损失为20亿英镑，日本电子元器件的不合格品中45％是因为静电放电（ESD）造成的。不仅如此，由于ESD在许多领域给人们带来重大损失和危害；如在第一个阿波罗载人宇宙飞船中，由于ESD导致火灾和爆炸，使三名宇航员丧生。

 

静电防护主要措施：

1. 防止静电产生；

2.消除已产生的静电；

3.设计保护电路。

 

防静电的基本方法：

1. 静电泄漏法；

2. 静电中和法；

3. 静电屏蔽法；

4. 湿度控制法。

 

ESD耦合到电子通讯设备有三种方式：

1. 直接传导

2. 电容耦合（电场耦合）

3. 电感耦合（磁场耦合）

 

电子设备的ESD防护主要应针对这几种耦合方式采取措施，可总结为下列24字方针：静电屏蔽，滤波去耦，绝缘隔离，接地泄放，良好搭接，瞬态抑制。

 

电子设备雷击浪涌保护设计

 

对雷电防治原则是“综合治理，整体防御，多重保护，层层设防”。运用“疏导、隔离、均压”的方法，防雷是系统工程，必须因地制宜综合考虑，将内、外部防雷措施（接闪、分流、均压、屏蔽、接地布线、过压保护等诸多因素）作为一个整体来统一考虑。

 

电子通讯设备的雷击浪涌保护分为一级保护和二级保护。

一级保护的机理是等电位连接。通讯设备附近的金属构件如水管、燃气管、走线架、走线槽以及设备的金属机壳等接等电位连接棒；信号线端口和电源线端口通过保护器件等电位连接棒。当遭受雷击时，保护器件动作，端口与金属机壳和机房内的金属构件连接，形成等电位体，雷电流通过接地电阻到地使得等电位体的对地电位升高，但是设备的端口对金属机壳和机房内的金属构件的电位差却很小。

 

二级保护的机理是接地泄放，即通过雷击浪涌保护器件把浪涌电流旁路到地，使过电压箝制在内部电路和器件能经受得住的范围内，保护电路和器件免遭损坏。

 

缓冲减振设计

 

电子设备装载在诸如飞机、舰船、装甲车等平台上，在它整个寿命周期内，经历各种机械环境。虽然家用电器在使用过程中没有经受什么机械环境，但在产品出厂后经过运输、搬运过程，仍然承受机械环境。机械环境对电子设备影响是比较严重的。

经验证明，在各种机械环境中，主要威胁来自振动应力。设备中由于振动而造成的损坏大大超过冲击引起的损坏。例如在通信或雷达设备中，振动损坏率比冲击损坏率大4倍。能经受50—70g冲击的元器件，在持续振动的环境中，最大也只能承受2—3g的振动。

其基本方法有两种：一是采用隔离措施，利用减振装置把设备保护起来或把振动源隔离开；二是选用合适的材料和合理的安装技术，使设备正常工作时，足以耐受冲击或振动。

对电子设备的振动与冲击防护设计，归纳起来有以下几种常用方法:

1、消除和减弱振源；

2、对振源进行隔离； 

3、去谐； 

4、去耦； 

5、阻尼； 

6、小型化和刚性化。

 

三防设计

 

所谓三防设计，即防潮湿、防盐雾、防霉菌

防潮湿：潮湿的影响在于，当空气相对湿度大于80%时，很多电子设备中的有机及无机材料构件由于受潮将增加重量，发胀，变形，金属构件腐蚀加速。如果绝缘材料选用及工艺处理不当，则绝缘电阻下降，以致绝缘击穿，性能破坏，造成故障。为保证可靠性应进行潮湿设计。

 

防盐雾：盐雾的影响是盐雾与潮湿空气结合时，其中所含的半径很小的氯离子对金属保护膜有穿透作用。盐和水结合能使材料导电，故可使绝缘电阻降低，引起金属电蚀、化学腐蚀加速，使金属件与电镀件受破坏。二氧化硫、氯气、氨气等有害气体与潮湿空气会合便产生酸性、碱性气体。这些气体也有加速金属构件的腐蚀作用，使绝缘性下降。

 

防霉菌：霉菌、白蚁等生物类也都在不同情况下对产品产生影响。例如霉菌在一定温度、湿度（一般25℃--35℃相对湿度80%以上）的环境条件，繁殖生长迅速，其分泌物形成的斑点影响产品外观；这些分泌物所含的弱酸会使电工仪表的金属细线腐蚀断，损坏电路功能。尤其在光学仪器上长霉，会是玻璃的反射和透光明显下降，破坏光学性能，所以设计中也进行防霉设计。  

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