第2章 電子設備的可靠性設計 2.1 影響電子設備可靠性的主要因素 2.2 電子元器件的選用 2.3 電子設備的可靠性防護措施 2.4 印製電路板佈線的可靠性設計 2.5 PCB電磁相容設計中的地線設計 思考題與練習題
2.1 影響電子設備可靠性的主要因素 2.1.1 工作環境
電子設備所處的工作環境多種多樣.氣候條件,機械作用力和電磁干擾是影響電子設備的主要因素.必須採取適當的防護措施,將各種不良影響降低到最低限度,以保證電子設備穩定,可靠地工作. 1. 氣候條件對電子設備的要求
氣候條件主要包括溫度,濕度,氣壓,鹽霧,大氣污染,灰沙及日照等因素,對設備的影響主要表現在使電氣性能下降,溫升過高,運動部位不靈活,結構損壞,甚至不能正常工作.為了減少和防止這些不良影響,對電子設備提出以下要求: (1) 採取散熱措施,限制設備工作時的溫升,保證在最高工作溫度條件下,設備內的元器件所承受的溫度不超過其最高極限溫度,並要求電子設備能夠耐受高低溫迴圈時的冷熱衝擊.
(2) 採取各種防護措施,防止潮濕,鹽霧,大氣污染等氣候因素對電子設備內元器件及零部件的侵蝕和危害,延長其工作期. 2. 機械條件對電子設備的要求
機械條件是指電子設備在不同的運載工具中使用時所受到的振動,衝擊,離心加速度等機械作用.它對設備的影響主要是:元器件損壞失效或電參數改變;結構件斷裂或變形過大;金屬件的疲勞破壞等.為了防止機械作用對設備產生的不良影響,對設備提出以下要求:
(1) 採取減振緩衝措施,確保設備內的電子元器件和機械零部件在受到外界強烈振動和衝擊的條件下,不致變形和損壞.
(2) 提高電子設備的耐衝擊,耐振動能力,保證電子設備的可靠性.
3. 電磁干擾對電子設備的要求
電子設備工作的周圍空間充滿了由於各種原因所產生的電磁波,造成外部及內部干擾.電磁干擾的存在,使設備輸出雜訊增大,工作不穩定,甚至不能安全工作. 2.1.2 使用方面
使用和維護人員對產品可靠性的影響,包括使用和維護的程式及設備,操作方法的正確性以及其他人為的因素.使用可靠性很大程度上依賴於使用設備的人.熟練而正確的操作,及時的維護和保養,都能顯著地提高使用可靠性.
電子設備的操縱性能如何以及是否便於維護修理,直接影響到設備的可靠性,因此在結構設計時必須全面考慮.
對電子設備的操縱要求,原則上可歸納為以下幾點:
(1) 為操縱者創造良好的工作條件.例如:設備不會產生令人厭惡的雜訊,且色彩調和給人以好感,安裝位置適當,能令操作者精神安寧,注意力集中,從而提高工作品質.
(2) 設備操作簡單,能很快地進入工作狀態,不需要很熟練的操作技術.
(3) 設備安全可靠,有保險裝置.當操縱者發生誤操作時,應不會損壞設備,更不能危及人身安全.
(4) 控制機構輕便,盡可能減少操縱者的體力消耗.指示系統清晰,便於觀察,且長時間觀察不易疲勞,也不損傷視力.
從維護方便的角度出發,對結構設計提出以下要求:
(1) 在發生故障時,便於打開維修或能迅速更換備用件.如採用插入式和折疊式結構,快速裝拆結構以及可換部件式結構等.
(2) 可調組件,測試點應佈置在設備的同一面;經常更換的元器件應佈置在易於裝拆的部位;對於電路單元應盡可能採用印製板並用插座與系統連接.
(3) 元器件的組裝密度不宜過大,即體積填充係數在可能的條件下應取得低一些(一般最好不超過0.3),以保證元器件間有足夠的空間,便於裝拆和維修. (4) 設備應具有過負荷保護裝置(如過電流,過電壓保護),危險和高壓處應有警告標誌和自動安全保護裝置(如高壓自動斷路門開關)等,以確保維修安全. (5) 設備最好具備監測裝置和故障預報裝置,能使操縱者儘早地發現故障或測試
失效元器件,及時更換維修,以縮短維修時間,防止大故障出現. 2.1.3 生產方面
1. 生產條件對電子設備的要求
任何電子設備在它的研製之後都要投入生產.生產廠的設備情況,技術和工藝水準,生產能力和生產週期以及生產管理水準等因素都屬於生產條件.設備若要順利地投產,必須滿足生產條件對它的要求,否則就不可能生產優質的產品,甚至根本無法投產.
生產條件對產品的要求一般有以下幾個方面:
(1) 設備中的零部件,元器件,其品種和規格應盡可能少,儘量使用由專業廠家生產的通用零部件或產品.因為這樣便於生產管理,有利於提高產品品質,降低成本. (2) 設備中的機械零部件必須具有較好的結構工藝性,能夠採用先進的工藝方法和流程.
(3) 設備中的零部件,元器件及其各種技術參數,形狀,尺寸等,應最大限度地標準化和規格化;還應盡可能採用生產廠家以前曾經生產過的零部件,充分利用生產廠家的先進經驗,使產品具有繼承性.
(4) 設備所使用的原材料的品種規格越少越好,應盡可能少用或不用貴重材料,立足於使用國產材料和來源多,價格低的材料.
(5) 設備(含零部件)的加工精度要與技術條件要求相適應,不允許無根據地追求高精度.在滿足產品性能指標的前提下,其精度等級應盡可能低,裝配也應簡易化,儘量不搞選配和修配,力求減少裝配工人的體力消耗,便於自動流水生產. 2. 經濟性對電子設備的要求
電子設備的經濟性有兩方面的內容:使用經濟性和生產經濟性.使用經濟性包括設備在使用,貯存和運輸過程中所消耗的費用.
為了提高產品的經濟性,在設計階段就應充分考慮以下幾個方面:
(1) 研究產品與零部件技術條件,分析產品設計參數,研討和保證產品性能和使用條件,正確制定設計方案,這是產品經濟性的首要環節.
(2) 根據產量確定產品結構形式和產品類型.產量的大小決定著生產批量的規模,生產批量不同,其生產方式類型也不同,因而其生產經濟性也不同.
(3) 運用價值工程觀念,在保證產品性能的條件下,按最經濟的生產方法設計零
部件.在滿足產品技術要求的條件下,選用最經濟合理的原材料和元器件,以求降低產品的生產成本.
(4) 全面構思,周密設計產品的結構,使產品具有良好的操縱維修性能和使用性能,以降低設備的維修費用和使用費用. 2.2 電子元器件的選用 2.2.1 電子元器件的選用準則 電子元器件選用時應遵循下列原則:
(1) 根據電路性能的要求和工作環境的條件選用合適的元器件,元器件的技術條件,技術性能,品質等級等均應滿足設備工作和環境的要求,並留有足夠的裕量. (2) 優先選用經實踐證明品質穩定,可靠性高,有發展前途的標準元器件,不選用淘汰和禁用的元器件.
(3) 應最大限度地壓縮元器件的品種規格,減少生產廠家,提高它們的複用率. (4) 除特殊情況外,所有電子元器件應按不同的要求經過必要的可靠性篩選後,才能用到產品中.
(5) 優先選用有良好的技術服務,供貨及時,價格合理的生產廠家的元器件.對關鍵元器件要進行用戶對生產方的品質認定.
(6) 仔細分析比較同類元器件在品種,規格,型號和製造廠商之間的差異,擇優選用.要注意統計在使用過程中元器件所表現出來的性能與可靠性方面的資料,作為以後選用的依據.
2.2.2 電子元器件的主要技術參數 1. 電阻器的主要技術參數
(1) 標稱阻值和允許偏差.標稱阻值是指電阻器上所標示的名義阻值,所有標稱阻值都必須符合標稱阻值系列.常用的標稱阻值有E6,E12和E24系列,如表2.1所示.實際阻值與標稱阻值的相對誤差稱為允許偏差.普通電阻的允許偏差有Ⅰ級(±5%),Ⅱ級(±10%)和Ⅲ級(±20%),精密電阻允許偏差要求更高,如±2%,±1%,±0.5%～±0.001%等. 表2.1 電阻器標稱阻值系列
(2) 額定功率.電阻器的額定功率是指在正常大氣壓力及額定溫度條件下,在電阻器的使用過程中電阻器所能承受而不致將其燒毀的最大限度功率值.它是根據
