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原创嵌入式可靠性设计知识

 2013-5-14 08:45  1337 25 28 分类: MCU/ 嵌入式文集: 单片机与ARM

降额设计

热设计

电路设计

电子工艺

电路安规

可生产性可测试性

可维修

静电防护EMC

包装可靠性

易用性

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降额设计

（http://www.docin.com/p-362501802.html）

降额设计就是使元器件或产品工作时承受的工作应力适当低于元器件或产品规定的额定值，从而达到降低基本失效率（故障率），提高使用可靠性的目的。20世纪50年代，日本的色摩亮次发现，温度降低10℃，元器件的失效率可降低一半以上。实践证明，对元器件的某些参数适当降额使用，就可以大幅度提高元器件的可靠性。因电子产品的可靠性对其电应力和温度应力比较敏感，故而降额设计技术和热设计技术对电子产品则显得尤为重要。它是可靠性设计中必不可少的组成部分。下面介绍电子元件的降额技术。

对于各类电子元器件，都有其最佳的降额范围，在此范围内工作应力的变化对其失效率有明显的影响，在设计上也较容易实现，并且不会在产品体积、重量和成本方面付出过大的代价。当然，过度的降额并无益处，会使元器件的特性发生或导致元器件的数量不必要的增加或无法找到适合的元器件，反而对产品的正常工作和可靠性不利。

降额等级

在最佳降额范围内，一般又分3个降额等级：

1、Ⅰ级是最大的降额，适用于设备故障将会危及安全，导致任务失败和造成严重经济损失情况时的降额设计。它是保证设备可靠性所必须的最大降额。若采用比它还大的降额，不但设备的可靠性不会再增长多少，而且设计上是难以接受的。

2、Ⅱ级降额

Ⅱ级降额是中等降额，适用于设备故障将会使工作任务降级和发生不合理的维修费用情况的设备设计。这级降额仍在降低工作应力可对设备可靠性增长有明显作用的范围内，它比Ⅰ级降额易于实现。

3、Ⅲ级降额

Ⅲ级降额是最小的降额，适用于设备故障只对任务完成有小的影响和可经济的修复设备的情况。这级降额可靠性增度效果最大，设计上也不会有什么困难。

降额设计的要点

1、降低元器件在电路中所承受的应力（一般主要指温度应力及电应力）可以提高元器件的可靠性，但降额要适当，过低的应力有时会引起新的失效。降低应力可以提高可靠性，但会增加重量、体积、费用等因素，这都与设计参数有关，因而需要综合权蘅。降额不仅考虑电路的稳态工作情况，还要考虑到电路中可能出现的暂态过载及动态电应力。

2、电阻器和电位器的降额主要是功率降额。对于承受高压的情况还需电压降额。

3、电容器的降额主要是电压和功耗的降额，有时工作频率也要降额。

4、数字集成电路主要是对其负载降额，对其应用频率也要降额。

5、线性与混合集成电路的降额主要是工作电流或工作电压的降额。

6、微波集成电路的降额主要是功率和频率的降额。

7、晶体管的降额主要是工作电流、工作电压和功耗的降额，频率的降额也应考虑。

8、普通二极管的频率、开关二极管工作的峰值反向电压，变容二极管的击穿电压、可控硅的工作浪涌电流及正向工作电流应降额。

9、电子管应对其板耗功率和总栅耗功率进行降额，频率的降额也应考虑。

10、继电器的降额是触点电流的降额，按容性负载、电感性负载及电阻性负载等不同负载性质做出不同比例的降额。对容性负载要按电路接通时峰值电流进行降额。

11、线圈、扼流圈、电感器、变压器等磁性器件主要是工作电流的降额，其工作电压也要降额。变压器对其温升应按绝缘等级做出限制规定。

12、电连接器的降额主要是工作电流的降额，其次是工作电压的降额。降额程度根据触件间隙大小及直流和交流电源而定。

13、开关的降额主要是开关功率和触点电流的降额。

14、电缆和导线的降额主要是电流的降额。用于高压电路的电缆和导线应考虑工作电压的降额。微波同轴电缆的降额主要是功耗的降额。

15、晶体的降额是在保证驱动功率和工作温度保持在规定的限值范围内的条件下，降低驱动电压。

16、声表面波器件的降额主要是输入功率的降额

热设计：风冷水冷自然散热等

电路设计：控制信号反馈易损坏部分冗余浮地通过几M欧姆电阻接大地

电子工艺：PCB工艺焊接生产组装工艺

1，小电流低电压的弱信号元件与大电流高电压强信号元件隔离（如220v和5v器件）

2，模拟与数字部分隔离加大距离开沟等

3，高频与低频隔离加大间距开沟增加屏蔽措施

4，发热敏感接头器件的位置摆放

5，噪声器件的位置下面勿走信号线

6，晶振外壳接地信号线尽量短且对称

7，复位电路的可靠设计看门狗外置

8， PCB大面积开孔用虚接制作完成后掰掉

9，标示醒目准确不可擦除

10，基准点 mark点设计

11，可测试性测试点设计

12，防水防潮防尘防静电防雷击

13， ESD EMC 瞬压保护等

电路安规：

应用安全标准的目的在于减少由于下列危险造成伤害或危害的可能性。

—电击；

—与能量能关的危险；

—着火；

—与热有关的危险；

—机械危险；

—辐射；

—化学危险。

结构设计

a. 稳定度

稳定度指终端系统设备不可失衡而导致使用者或维修者危险;

b. 机械强度

机械强度指内外壳的承受力如铁球撞击测试,落地测试,推力测试, TEST

FINGER 测试，7小时烤箱测试等;

c. 尖锐角

尖锐角指在防止不当的设计导致人员的伤害及绝缘破坏;

(3) 接地方法：

a. 接地方式

I. 机械式固定：

不可经由塑料连接,且须有防止松动作用(如WASHER)的产品;

II. 防腐蚀：

指两种以上不同金属连接其电化学电位差不能＞0.6V;

III.接地线：

至少18AWG之绿滚黄线,如果LINE/NEUTRAL>18AWG,则须使用与其同等

号线之线材(AWG: AMERICA WIRE GAUGE 美国线规) ;

IV. 接地螺丝／螺栓的要求：

至少NO.6或M3.5

LED颜色

(1) RED: 危险或警告或+5V;

(2) YELLOW: 注意或+3.3V;

(3) GREEN: 安全或-12V;

(4) BLUE: 特别讯息;

(5) WHITE: 一般讯息或-5V;

(6) BLACK:GROUND;

(7) ORANGE: 5VS.

安规元器件

安规关键性元器件应标注其厂商、规格、型号和参考位号。

对于本公司的产品来说，安规关键性元器件大体上指：

塑胶外壳、铭牌；

PCB板、保险丝、保险丝座（如果是塑胶的）；

压敏电阻、放电管；

电感、变压器（包括bobbin、线材、胶纸、挡墙、套管、清漆等）；

光耦、X电容、Y电容；

插座、开关、输入塑胶端子、各种软线；

热缩管、套管、PVC片、硅胶片、绝缘片；

风扇、继电器、温度开关；

Bulk电容、泄放电阻、整流桥、开关管。

对于具体机型和具体所用的场合，关键元器件的判定有所不同。

除Bulk电容、泄放电阻、整流桥、开关管外，其它关键性元器件一般需要与认证相对应的认证书。（如，产品做UL认证，则需UL证书，做TUV认证，则需VDE证书或TUV证书。）

漏电流：

电气间隙和爬电距离：

(1)交流电源进线,保险丝之前两线最小安全距离不小于6MM,两线与机壳或机内接地最小安全距离不小于8MM.

(2)保险丝后的走线要求:零、火线最小爬电距离不小于3MM.

(3)高压区与低压区的最小爬电距离不小于8MM,不足8MM或等于8MM的.须开2MM的安全槽.

(4)高压区须有高压示警标识的丝印,即有感叹号在内的三角形符号;高压区须用丝印框住,框条丝印须不小于3MM宽.

(5)高压整流滤波的正负之间的最小安全距离不小于2MM.

设备应同时满足安规上对设备所要求的电气间隙和爬电距离。

电气间隙和爬电距离的具体数值可参考附录5。1附录A。下面所列出的电气间隙和爬电距离的数值仅作一般情况下参考用，并不代表最后的实际情况。

4.2.1术语解释：

电气间隙：导电体间测得的最短空间距离。

爬电距离：导电体间测得的最短绝缘表面距离。

一般来说，爬电距离要求的数值比电气间隙要求的数值要大，布线时须同时满足这两者的要求（即要考虑表面的距离，还要考虑空间的距离），开槽（槽宽应大于1mm）只能增加表面距离即爬电距离而不能增加电气间隙，所以当电气间隙不够时，开槽是不能解决这个问题的，开槽时要注意槽的位置、长短是否合适，以满足爬电距离的要求。

4.2.2元件及PCB的电气隔离距离：（电气隔离距离指电气间隙和爬电距离的综合考虑）

对于Ⅰ类设备的开关电源（本公司的大部分开关电源均为Ⅰ类设备）,在元件及PCB板上的隔离距离如下：（下列数值未包括裕量）

a、对于AC—DC电源（以不含有PFC电路及输入额定电压范围为100-240V～为例）

电气间隙爬电距离

L线-N线（保险管之前） 2.0mm 2.5mm

输入-地（整流桥前） 2.0mm 2.5mm

输入-地（整流桥后） 2.2mm 3.2mm

输入-输出（变压器） 4.4mm 6.4mm

输入-输出（除变压器外） 4.4mm 5.5mm

输入-磁芯、输出-磁芯 2.0mm 2.5mm

b、对于AC—DC电源（以含有PFC电路及输入额定电压范围为100-240V～为例）

电气间隙爬电距离