可靠性设计小窍门

Posted 2021-04-19 至秦单片机

好文章，转发下！

今天和几个朋友吃饭，席间请朋友们帮助推介我的业务，其中有几位大倒苦水，“现在经济危机呵，可靠性一直就想做，可拿不出钱来添置设备、增加产品的成本啊”，还都是曾经有过机电技术经历的人，有感而发，完成此文，展示给大家看，原来“可靠性设计是可以不花钱的”。

我们有时候会遇到一种情况，一块电路板在机器上装着的时候，机器工作不正常，拆下来后，单板工作正常，甚至摊在桌面上工作也是正常的，但装上就不好好工作，或者在厂子里烤几天机也是好的，或者在用户处前几个月也是没问题的，但就是长期使用下来就报故障，也能初步认定可能是虚焊，可到底是在哪里呢，让人一筹莫展。

看下图电路板的安装方式，如果电路板的安装机壳是开模具的，加工误差较小，这个问题不明显，如果是钣金或焊接的，四个固定柱的加工误差超过1mm是很正常的事情，于是就出现了左侧的翘曲，初期没事，长期应力下去，表贴器件的焊接力强度又不是很大，就容易出现焊盘脱落或虚开。这个问题的解决也容易，不在一条直线的三点决定一个平面，那就三点支撑；如果还是四点支撑，支撑柱弹性强一点，用尼龙或橡胶柱，使电路板翘曲没有那么大应力。

类似的问题在电路板布局上也会出现，一个可插拔的插座装在远离固定柱的地方，在插拔的时候，电路板会受力，这个应力也会产生虚焊的情况，解决方法不用多解释了吧，或者把插拔方向做成平行于电路板的而不是垂直的，或者把插座安装在固定柱的旁边，或者查做附近几厘米内只焊接直插器件，不放置表贴焊接器件，或者干脆就不设插座，把线缆焊在板上引出来，在漂浮的线上焊可插拔的插头插座等等。

前几天，我把MSN和QQ的签名改成了“降额设计是提升可靠性的最简手段之一”，此言不虚。器件降额也是不增加成本的，举个通俗的例子，一个人最多能背100斤的袋子，我就让他背100斤走路，常规情况下肯定没问题，但是在路灯口，突然来辆车，紧急避让下就会较慢可能会出事，前面有片水洼，背个100斤就蹦不动；如果他现在只背50斤，走起来就很轻松，即使遇到意外情况也会避让过去，水洼也能跳过去。这就是降额的最通俗解释，在设计的时候，就是我们必须要背100斤的话，我就选一个能背150斤的人来背，或者让2 个能背100斤的人分着背。

拿个具体电路举例来说，1/8W，1%，510K电阻，额定耐压150V，用于电源系统，实际耐压140V，额定耐压和实际耐压很接近了，在启停或浪涌的时候，加在电阻上的耐压可能会瞬时超过150V，按照III级降额的设计方法，电压的降额因子是0.75，则 140V / 0.75 =186V，选择耐压>186V的电阻，后来发现这个耐压比较难选，就采用两只电阻串联，改用两个250k左右的电阻串联分压用。另一个类似的事例，用LM324驱动一小负载，用2路运放驱动一个负载，各分担1/2的电流。电阻、电容、IC、分立半导体器件、电感、继电器、开关、光纤器件、微波与声表面波器件、连接器、导线电缆、保险丝、晶体、灯泡、断路器等等均会涉及到这个问题，只是选择一个不同的器件差别，可靠性会增加很多。

在工艺上，接地线缆的焊点大都习惯加个热缩套管，这个习惯也挺好，如果是一个三孔的220V插座，安装时，地线在火零线的下面，且不加套管，结果会怎么样？就是火线万一没焊好，搭接在地线焊点上的概率会增大，可能能防范一起触电事故。

机箱内部的电线对，常见的是一匝匝的线缆散着，去流和回流信号在两块电路板之间形成环状，如果附近有大电流的变化而产生磁场，就会在这个环状线缆上产生感生电流，这个电流倒是不大，但叠加在一个弱信号上、或者叠加在一个被采样的模拟信号上，数据失真则在所难免，解决方法简单得很，将去流和回流的电线对拧结一下，有效减小环路面积，也可以将内部线缆改成带屏蔽层的也可以，都是举手之劳而已。

以上说的是机械和电路上的，其实软件上也有可以做工作的地方，如果一个单片机，输出一个控制信号给继电器，控制一个电磁阀工作，大电流的冲击就容易产生辐射和耦合干扰信号出来，这个时候总线上的信号容易被串扰到，如果在输出大电流信号的时候，程序控制上关闭总线上的数据传输，就比如知道今天刮大风，我们可以先不出门，这阵风过去再出去。

通过布局可以减少电磁干扰，电磁兼容有三个要素，干扰源、干扰路径、敏感电路，利用机架、空间布局，让干扰源和敏感电路远离一点，尤其是容易引入干扰或辐射干扰信号的线缆，就会在没有增加任何内成本的基础上，让干扰降低。

我们都知道温度高会对产品可靠稳定工作产生较大影响，这也可以通过布局解决，让怕热的器件远离热源，让热源的器件在出风孔附近，这样散出的热量只影响它自己。电路安装服从空气流动方向，进风口→放大电路→逻辑电路→敏感电路→集成电路→小功率电阻电路→有发热元件电路→出风口，构成良好散热通道；发热元器件在机箱上方，热敏感元器件在机箱下方，热源器件紧贴装在机箱金属壳体上散热等等。

不花钱的可靠性设计方法还有挺多，但确实需要花些脑细胞，也需要些时间的积累和实践的经历经验体会，这些倒还好办，最怕的还是畏难情绪，怕没有专业的人，怕没有资深的经验和水平，怕没有钱来做可靠性，怕是没用的，我们唯一的选择就是勇敢地去实践，只要努力了，我们就会有机会。如果这个过程需要技术上的帮助，该知道找谁吧？