应用可靠性6_重要元器件防护设计

1 第6章 重要元器件防护设计 主讲：庄奕琪 元器件可靠性应用元器件可靠性应用 与电路可靠性设计与电路可靠性设计 2 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 本章概要  电源防护设计  放大器防护设计  微处理器防护设计  继电器防护设计 3 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 电源的可靠性问题  输出过流（过载）  操作不慎导致短路，负载元件失效导致负载电阻下降，负载太重导致负载电流过大  可以是连续的，也可以是瞬间  可能造成线性电源的串联元件和开关电源的开关元件因电流和功率过大，超出安全 工作区而受损或烧毁  输出过压  电源输出出现异常过电压，导致贵重的负载电路（如微处理器）被破坏  电源突然接通或突然中断  某些器件不能接收电源突然接通或者中断所带来的工作电压剧烈变化，轻则导致数 据丢失，重则使器件受损  内部浪涌  功率开关管驱动电感或者电容负载，导致内部出现瞬间大电流或高电压  功率开关管互补工作，在信号上升沿或下降沿产生电源到地的大电流 4 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 电源的可靠性问题(续)  输入或输出浪涌  市电电压剧烈动、突然断电、瞬时过压等导致电源输入电压的中断、尖峰和浪涌 等，形成电磁干扰或者导致电源中的元件受损  输出干扰  开关电源在其开关频率的谐波甚至在更高频率处产生较大的干扰电流，通过输出线 传导或者空间辐射对周边元器件产生干扰 2 5 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 输出过流保护原理:限流法  作用  限制线性电源的输出电流，保护其串联元件不被破坏  限流过程  输出过载导致ISC↑→IRSC ↑→VRSC↑→VBE(TR2)↑→TR2导通 →IC(TR2)↑→IB(TR1)↓→IC(TR1)↓→ISC↓ ，于是限制ISC，保护了TR1 不被损坏 线性电源限流保护电路 6 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 输出过流保护原理:限流法(续)  不足之处  ISC≈VBE(on)/RSC与VBE(on)及温度敏感相关，必须使TR1的最大允 许电流ICM远大于ISC的最大允许值，因此串联元件的安全工作 区的利用率较低 ICM TR1的安全工作区 电流 余量 TR1的输出特性 7 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 输出过流保护原理:截流法  保护原理与限流法相似，只是当输出电流ISC超过规定限度IK时，R1和 R2提供正反馈，限制ISC不会超过IK，从而可以使ISC取得接近ICM，因 而更有效地利用了串联元件的安全工作区 21 1 SC )on(BE SC RR R R V I  K )on(BE OUT SC OUT SC )1( I V VI V R   )on(BE OUT SC K maxSC K 1 SC V V I I I I R         TR1的安全工作区 TR1的输出特性 ICM 线性电源截流保护电路 8 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 输出过压保护 ←瞬变电压抑制二极管和压敏电 阻：最简单的过压保护元件， 但会引入一定的损耗 ↑晶闸管：一旦发现过电压即触发晶闸管，使输出箝位到低电压并为输出电流提供 旁路通道。也 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 晶闸管本身能耐受较高的浪涌功率和电流变化率，而且检测 器和晶闸管要能避免干扰电压导致的误触发。 3 9 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 电源接通保护  电源接通时，电源电压的上升可能会经历复杂的过程，包括开关 浪涌、噪声或振荡、过冲等，因此应该等电源电压稳定后再让电 源电压加到器件上 电源电压从接通到 稳定可能会经历的 变化过程 稳定 期望的对贵重器件 （如微处理器）的工 作电压上电时序 等待上电 上电 10 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2  电源断开时，有的器件需要按某种方式有序关机，如微处理器需 要一段时间做掉电处理，因此应该提供一段延时 6.1 电源防护设计 电源断开保护 断电中断 低电压报警 掉电延时 不期望的电源电 压关断特性期望的电源电 压关断特性 期望的对贵重器 件（如微处理 器）的工作电压 掉电时序 11 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 电源监控电路  电源监控电路用于检测上电和下电信息（掉电、加电、低电压、过电 压等），并实现所需要的上电和下电时序（实现规定的延迟等）  电源监控器应能在很低的电源电压下工作  电源监控电路可采用专用芯片，也可自行搭制 12 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 电源输出干扰的抑制  利用铁氧体磁珠、双绞线、RC 滤波等 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 抑制开关电源输出的 电磁干扰 电源 电路 4 13 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 示例:温度控制器应用电路  可能出现的问题  来自15V电源的 噪声干扰  来自PWM控制器 的开关噪声干扰 （1MHz左右）  负载电流变动导 致输入或输出电 压变化  稳压器自身延迟 导致的输入或输 出电压瞬态变化 电源电路 测温电路 控温电路 14 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 示例:输入端外围电路设计  输入端产生的100kHz以下的低频噪声可以由78L09自身的去噪特性来 抑制，高于1MHz的高频噪声必须由外加（RC高通）滤波器来抑制 78L09自身的去噪-频率特性 15 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 示例:输入端外围电路设计(续)  电源噪声源的阻抗很低（<0.1Ω），若要达到足够的RC值，需要高频特性好的大容量电 容，这难以获得。加入串联电阻R1将噪声源阻抗提升到100 Ω，则只需使用一个较小的滤 波电容C2（0.1uF陶瓷电容器）即可。由R1引起的输入电压变动为100 Ωx12.1mA=1.21V， 导致78L09的输入电压从15V降到13.79V，是可以接受的（78L09输入工作电流12.1mA，输 入最低工作电压10.7V）  负载变动导致的输入电压变动可以由储能电容C1来平滑，若连续电压供给时间10ms，供给 电流12.1mA，允许输入电压变动为0.5V，则C1>12.1mAx10ms/0.5V=242uF，可取 330uF/25V的铝电解电容器 输入串联电阻的作用 16 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 示例:输出端外围电路设计  负载电流变动导致的输出电 压变动可由储能电容C4来平 滑。若连续电压供给时间 1ms，供给电流10mA，允许 电压变动为0.1V，则C4> 10mAx1ms/ 0.1V=100uF， 可取100uF/16V的铝电解电 容器  负载电流的瞬态变化及其高 频干扰用0.1uF陶瓷电容C3 来滤除  二极管D2将输出电压最高值 箝制在后续电路能接收的最 高电压之下，起保护作用负载电流变 化引起的输 出电压浪涌 5 17 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 示例:输入-输出电压差保护  +15V电源切断时，输 入电压迅速降到0，而 输出电压下降较慢。 因此可能出现输出电 压>输入电压的情况， 可能导致稳压器损坏  采用二极管D1，使输 出电压不可能高于输 入电压，从而起到保 护作用 18 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 开关电源内电感负载→浪涌电压  VDMOS管快速从导通到截止时，会产生可观的di/dt，流过LS形成极高的浪涌电 压，有可能导致VDMOS管损坏（峰值20A、边沿50ns的电流变化会在0.5uH的 电感上形成200V的浪涌电压）  尽管用箝位二极管抑制负载ZL中的感性成分，但导线杂散电感LS及VDMOS的寄 生电容CS仍然会产生浪涌 箝位二 极管 引线杂 散电感 寄生漏 源电容 负载 19 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 浪涌电压的吸收方法:驱动端 当T由导通→截 止时，因通过电 感的电流不能突 变，从而形成负 的浪涌电压，有 可能损坏T 加入电容C后， 可抑制Vc上升的 速率，但当T由 截止→导通时因 电容充电，又会 形成浪涌电流 加入串联电 阻R可抑制 浪涌电流， 但又会形成 功耗 加入二极管使 之在Vc>0时导 通，使R被短 路，从而减少 了功耗 之下 箝制在 导通，从而将 时，当 a cc a V N N VV V N NV 2 1 max 2 1 c 2 D 2   20 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2  并接电阻：但增加功耗  并接RC支路：易产生共振  并接二极管：可能影响电路速度  齐纳二极管：箝位电压应适当 浪涌电压的吸收方法:负载端 6 21 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 自保护VDMOS管 过电压保护 续流二 极管 漏源电流过大→ 三极管导通→栅 极电压↓→漏源 电流↓ 全保护智能SmartFET： 具备过电压、过电流、 过热和ESD等保护功能 22 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 开关电源中对VDMOS管的保护 23 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 驱动电路中的可靠性考虑 输入为高电平时，D1导通（Tr1截止），信号加到FET的栅极；输入为低电平时，Tr1导 通（D1截止），为FET栅极电荷提供到地的放电通道→FET截止时间↓ 限制FET的栅电压不超过最高允许栅漏电压，同 时防止过大的电流进入FET 与FET输入电容一起来控制FET的开关 速度，同时可降低噪声 防止驱动电感负载时 产生的浪涌电压超过 FET的最高允许漏源 电压 起电源旁路滤波作用，防止噪声干扰在电 源与主电路之间相互传播 24 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 VDMOS并联应用时的可靠性考虑 并联工作时容易形成50～ 100MHz的振荡，耦合到栅 极时可能使栅压超过FET 的耐压，使之损坏 接入串联电阻，穿上铁氧 体磁珠，可防止振荡 7 25 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 反向恢复过程中的可靠性对策 FET内部寄生二极管， 反向恢复时间比FET开 关时间要长 2D 1D 问题：若Tr1导通、Tr2截止，但D2尚未来 得及截止，就会形成同时通过Tr1和D2的过 大电流，可能使Tr1损坏 I 对策1：在Tr1漏极加入串联电感L，一可抑制反 向恢复过程中的浪涌电流，二可与Tr1的漏源电 容一起抑制dv/dt引起的浪涌电压，而di/dt在L中 形成的浪涌电压则由与L并联的D来抑制 26 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.1 电源防护设计 反向恢复过程中的可靠性对策(续) FET内部寄生二极管， 反向恢复时间比FET开 关时间要长 2D 1D 问题：若Tr1导通、Tr2截止，但D2尚未来 得及截止，就会形成通过同时通过Tr1和D2 的过大电流，可能使Tr1损坏 I 对策2：加入四个快恢复二极管Ds1、Ds2、 DF1、DF2，可防止FET内部二极管导通 27 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 输入过压过流保护 串联电阻：将输入电流 限制在安全限度（如 <5mA）之内，但会增 加噪声 TVS管：将差分输入电压限制在 安全限度之内 肖特基二极管：将共模输入电压 限制在±VS±0.3V之内 28 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 内置过压过流保护 使用普通二极管：适用于大信 号电流，零偏时二极管内阻较 低，但会增加放大器的失调电 压 使用JFET短接二极管： 适用于小信号电流，引 入噪声小，零偏时二极 管内阻较大 使用电阻（>10kΩ)： 适用于低频大电流  输入过压过流的后果  轻：内部部分电路过饱和，电 路速度下降  中：输入偏置电流、失调电压 出现不可恢复的变化  重：芯片功能即时恶化或烧毁 8 29 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 电源抑制比PSRR用于衡量电 源电压变化时放大器保持其 输出不变的能力，通常定义 为电源电压变化与其导致的 输入失调电压变化之比 运算放大器的PSRR通常会 随频率的增加而下降，因此 需要在放大器外部增加电源 去耦电路，以保证电源电压 的稳定性 6.2 放大器防护设计 电源去耦:必要性 30 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 电源去耦:方法 高频去耦电容(低电感陶瓷） 低频去耦电容(电解) 最短引线 大面积接地平面 31 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 示例:光电放大器 oP VI 电压电流入射光 光电放大器 输入运算放大器光电二极管    OPFETPD : fPo RIV  32 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 示例：反馈电阻选用 C/ppm100 1 C/ppm195 %39.0 C2020 6.8M MΩ94.6 lx10/V10OP lx/μA144.0PD :          温度系数 高阻值金属膜恺装电阻 主要靠后级放大器调整 ％取 则温度系数 灵敏度误差 工作温度 可取 输出灵敏度 灵敏度 类型： 公差： 温度系数： I VR V I 阻值 p o f o p 9 33 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 示例：实际电路设计 增益调整电路：调整量20％，用于应 对PD灵敏度±20％的误差及Rf的公差 防止寄生振荡（PD寄生电容很大，达1600pF） 防止电源高频干扰 34 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 MΩ3200 4.7nA 15V4.7nA0.39%μA,2.110lxPD  XR绝缘电阻光电流检测灵敏度目标精度时为光电流 6.2 放大器防护设计 示例：输入绝缘保护 )mm1,mm54.2OPPCB 元件焊装后的实际间距放大器的管脚间距求（板的绝缘无法达到此要 配线采用聚四氟乙烯绝缘子 35 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 聚四氟乙烯绝缘子 特点；绝缘电阻极高，漏电流极小，吸潮性极低 苜蓿叶形：在PCB上开 一个略大的洞装入 针形：用专用工具压入PCB 36 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 用屏蔽罩进行输入保护 电路图 PCB图 10 37 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 •高输入阻抗放大器的输入端应加隔离环，以防 漏电引起的噪声与漂移（注意隔离环接的节点因 放大器用途的不同而不同） •闲置不用的运放正输入端接地，负输入端接输 出 反相放大器 电压跟随器 同相放大器 8脚集成运放构成的 电压跟随器的PCB布 线示例 6.2 放大器防护设计 用隔离环进行输入保护 38 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 放大器接屏蔽罩的效果 未接屏蔽罩：地线电位差所产生 的共模电压uG通过两个阻抗不同 的回路形成的寄生电流I1和I2，在 放大器的输入端形成了电位差， 称为差模干扰 接屏蔽罩：使屏蔽罩的电位与A 点相同，I1和I2不能产生，从而消 除了放大器输入端的干扰电压 39 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 多级放大器电路的接地 较差：功率放大器可能 会通过地线公共阻抗对 前置放大器形成干扰 较好：前置放大器、功 率放大器、传输电缆屏 蔽层在输入端单点接地 40 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 放大器屏蔽罩的接地 浮地：放大器输入端、公共端、输出端对 屏蔽罩的分布电容C1s、C2s、C3s构成输出 到输入的反馈网络，最差方式 输出端接地：C2s被短路，但输出信号仍会 通过C3s反馈到输入端，较好方式 输入、输出端同时接地：接地形成环路，存 在公共接地阻抗和地环路干扰，较差方式 输入端接地：输出信号无法反馈到输入， 且不存在环路，最佳方式 11 41 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 输入信号的接地 输入信号 输入信号 输入信号 放大器板 放大器板 设备机壳 放大器板 设备机壳 较差：输入信号地线接到放 大器PCB板地线的任意一点 差：输入信号接到设备机 壳地 最差：输入信 号接到外部地 42 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 输入信号的接地(续) 输入信号 放大器板 好：输入信号地线接到放大器输入端地线 最好：采用差分方式放大，彻底消除共模干扰 输入信号 放大器板 43 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 输出信号的接地 方法1：输出信号地线直接接到PCB的输入端地线，但仍然存在PCB到供电单 元PSU的公共阻抗R s ，适合较大电流输出 方法2：输出信号地线直接接到供电单元PSU的地线端，彻底消除公共阻抗R s ，适 合很大电流输出 44 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 多级放大器的PCB布局  信号走线呈直线状，切忌往返交替  输入回路与输出回路尽量远离，以免产生自激振荡  避免同一芯片中的几个运放一部分作小信号放大，另一部分作振荡器  小信号放大器应尽量远离大信号电路  多运放芯片共用电源时，要注意由电源的不良耦合所产生的干扰 多运放芯片信号流向的安排 较好 较差 12 45 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 PCB布局错例  电源电路的交流干扰直接影响小信号放大级（放大电路的第一级和第二级）  振荡电路的输出可能经由放大电路的第一、二、三级而叠加到输出级  放大电路的输入和输出信号相互影响，相互干扰 46 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 放大器的综合防护 输出高 频滤波 反馈 差分 电源去耦 电源滤波 屏蔽 输入-输出电 缆360度环 绕接屏蔽地 输入高 频滤波 47 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 数模混合芯片的综合防护 芯片内 芯片外 模拟电源去耦电容 抑制高频干扰的铁氧体磁珠 数字电源去耦电容 芯片模拟地与数字 地管脚相连后接外 部模拟地 不要将芯片数字地 接外部数字地！ 起限流、增 加延迟时间 或阻抗匹配 的作用 起隔离干 扰、信号整 形等作用 数字地平面与模拟地平面的分割 48 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.2 放大器防护设计 微弱信号放大器的热设计  对微弱信号放大器而言，温度的均匀化更为重要  放大器附近不能放置发热器件  安装屏蔽罩兼作防风罩  背面附加大面积铜箔，用于均匀放大器周边的温度  对nV级放大器，最好不用焊锡（热电动势约为数uV/°C），而采 用紧压连接方式 13 49 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 微处理器的可靠性问题  程序运行紊乱  静电放电、电浪涌、电磁干扰等都可能使微处理器系统程序运行出错  干扰信号可能出现在信号线、时钟线或电源线上，引发程序出错的位置 可能在程序计数器、地址寄存器、堆栈寄存器或存储器中  出错的结果可能使处理器出现不期望的中断或清空存储器，或者执行若 干无意义的指令，或者进入死循环  对于1个运行与1MHz以上时钟频率和数据速率的微处理器电路，只需持 续时间小于1us的瞬变破坏一个数据位就能使程序出轨  电源电压超限  瞬态浪涌、电磁干扰等可能会使微处理器的电源电压超过规定范围（如 3.0～3.6V或4.75～5.25V） 50 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 在外界干扰出现的瞬间，四位数据线上原应为0001的数据变成了1111 6.3 微处理器防护设计 示例:4位数据线出错 微处理器四位数据线出错实例 51 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 看门狗:作用  看门狗（Watch-dog）周期性地要求微处理器执行一个专门的简单操 作，观察其输出结果。一旦发现有错，立即让微处理器重新复位， 以恢复正常运行 看门狗要求复位 定时器不断检测利用微处理器软件专门设计的周期性脉冲信号，一旦发现在规定的“暂停周期” 内未出现脉冲，即认为破坏已经发生，向微处理器的RESET端发送Q=0，令其复位 52 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 看门狗:暂停周期长度设计  暂停周期的长度要适当。过短，可能会影响处理器的正常工作；过 长，可能会起不到保护作用。  暂停周期通常的取值范围10ms～1s，取决于具体应用 看门狗要求复位 14 53 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 看门狗:定时器设计  定时器的可靠性要优于处理器电路其它部分。  通用定时器（如555）本身可靠性较好，但它利用分立RC元件来决定 暂停周期可能会带来较大误差，而且只能发送一次复位请求脉冲。数 字分频器作分频器触发一次可连续发送复位请求脉冲，直到复位成 功，因此更为可靠。  不要使用可编程定时器，因为瞬态破坏可能导致其错误编程。 数字分频器 一次触发可 多次请求复 位 复位请求过 程中可能出 现多次瞬变 干扰 54 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 看门狗:周期脉冲的产生  周期脉冲产生软件的可靠性也要优于处理器软件的其它部分，要尽量降低错误 的软件循环产生周期脉冲的概率，因此可采取如下措施：  在两个不同的软件模块中产生输出脉冲  一个模块产生高边沿脉冲 kick_watch_high ，另一个模块产生低边沿脉冲 kick_watch_low 55 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 电源电压超限监控复位 ←加电复位：加电前RESET=0执行复位，加电后 RESET=1复位无效。复位持续时间由RC参数决定，D在 万一VCC中断时为C提供放电通道，这种方法很难防止意 外的电源电压变化，只能用于廉价产品。 ↓欠压复位：实时检测输入端电源电压分压VA、VB， 并与基准电压VZ相比较。如发现VCC超差（大于或小于规 定值，则比较器B先开启令处理器中断，然后比较器A开 启强制处理器复位。这种方法可以对电源故障做出及时处 理。 VA VB VZ R D C 56 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 防止非法进入存储器  程序计数器被破坏可能导致处理器进入未使用的存储器空间。可采用 如下方法来预防：  将所有未使用的存储空间均转换为NOP（空操作）指令，留下最后几个单 元存入JMP RESET（跳到复位）指令。这样一旦程序发现一串NOP指 令，就安全地执行它们，直至到达JMP RESET实施复位。 15 57 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 软件防护设计:特点  软件防护设计的特点  出发点：承认数据破坏的可能性，防止它们的不利影响  优缺点：自由度高，几乎不用提高成本，但仅适用于带处理器/ 存储器的数字系统，无法防护不可逆的硬件损伤 58 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 输入数据筛选  如果已知输入数据的取值范围（如热电耦的输出电压）或者变化速 率，那么就可以通过软件设置剔出超出取值范围或者变化速率的值  对随时间变化缓慢或者不变化的输入数据（如机械开关信号），可以 比输入信号相应时间更高的速率重复采样，如发现2～3个连续数据的 值一致时才取其为正确数据。 59 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 多次采样取平均(1) AD连续采样4次取平均，作为1个输出数据。平均个数越多，滤噪 效果越好，但采样速率越低 60 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 多次采样取平均(2) 将前3次采样数据与当前数据相加后取平均，作为当前输出数据。 这种方法不影响采样速率。 16 61 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 定期复位 每隔一定周期（300ms），对主控程序进行复位 硬件框图 软件 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 62 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 避免死循环 有可能出现无限循环 的程序设计 能跳出循环路径的程 序设计 63 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.3 微处理器防护设计 查错与纠错  查错方法  奇偶校验：检验奇偶位，逻辑关系简单，只能查出1位错误，不适用于数据错误较多 的情形  反转二重对照：检验正反变量，逻辑关系简单，可查出多位错误，但数据量增加1倍  错误订正（ECC）：利用海明码、RS码、BCH码等，不仅能查错，而且能纠错  纠错方法  重写：发现错误，就再一次读写原始数据，但要求原始正确数据仍然存在  前值保持：发现错误，就把上次读入的数据原样保留下来  数据二重化：同样数据传送二套，用未出错的一套，但传送数据量增加一倍 64 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 KCYCCQEbP  1 6.4 继电器防护设计 可靠性影响因素 工作失效率 基本失效率 环境系数 质量系数 触点形式系数 动作速率系数 其它应用系数 取决于工作负载 电路及工作温度 取决于工作 环境类型 取决于触点动 作速率 取决于质量 等级 取决于负载形式， 如阻性、感性、灯 等 取决于应用形式， 如小信号电流-干 电路－衔铁式等 17 65 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.4 继电器防护设计 环境应力的影响  温度  高温：可加速内部塑料及绝缘材料的老化、触点氧化腐蚀、熄弧困难、 电参数变坏，使可靠性降低  低温：可使触点冷粘作用加剧，触点 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面起露，衔铁表面产生冰膜，使 触点不能正常转换  低气压  散热条件变坏，线圈温度升高，使继电器给定的吸合、释放参数发生变 化  绝缘电阻降低，触点熄弧困难，容易使触点烧熔，影响继电器的可靠性  机械应力  继电器簧片为悬梁结构，固有频率低，振动和冲击可引起谐振，导致继 电器触点压力下降，容易产生瞬间断开或触点出现抖动，严重时可造成 结构损坏  必要时应采取防振措施 66 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 按“七九O五”密封继电器七 专质量控制技术协议的产品 符合QZJ840617密封电磁继 电器“七专”技术条件的产 品；符合QZJ840618密封温 度继电器“七专”技术条件的 产品 质量要求补充说明 1符合SJ2386、SJ2456的产品B2 B 5低档产品C 0.6 按军用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 筛选要求等进行筛选的B2质 量等级产品B1 0.3 符合GJB65A的Y级产品、符合 GJB1042、GJB1434、GJB1436的产品； 按质量认证标准，且经中国电子元器件 质量认证委员会认证合格的产品 A2 0.15 符合GJB65A列入质量认证合格产品目 录的W产品A1 A 质量系 数πQ 质量要求说明质量等级 6.4 继电器防护设计 质量等级 67 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.4 继电器防护设计 线圈浪涌:形成机制  关断继电器时，驱动继电器线圈的晶体管从导通转换到截止，会 使线圈电感上的电流突然中断，产生反向浪涌电压VL=-Ldi/dt，其 值有可能数倍于电源电压，并远高于驱动晶体管的集-射极击穿电 压，使晶体管损伤或失效 68 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.4 继电器防护设计 线圈浪涌:防范方法 出现负电压脉冲时，续 流二极管导通，使开关 上端的电压被限制在电 源电压的幅度上。可能 会使线圈的关断时间有 所延长。 续流二极管 箝位二极管 出现足够大的负电压脉冲 时，箝位二极管反向击 穿，使开关二端的电压被 限制在二极管的基准电压 上。注意要合适地选择二 极管的击穿电压。 出现快速变化的电压脉 冲时，R和C起作用，与 线圈电感L构成RLC回 路，有利于抑制电压浪 涌和电流浪涌。 18 69 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2  机械触点接通所产生的浪涌电流  接通过程：触点相碰→触点表面重复接触、分离→稳定接触，也称 “触电反弹”  断开过程：基本无上述现象 6.4 继电器防护设计 开关浪涌:形成机制 反弹脉冲的持续时间为0.1ms至数ms，频率范围为10kHz～10MHz 70 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.4 继电器防护设计 开关浪涌:对可靠性的影响  在被开关控制的信号线中产生浪涌电流，可能会损坏敏感元器件  在触点处产生高电流密度及其高热量，可能会使触点顶端的材料熔 化或蒸发  在数字电路中，会影响边沿触发的可靠性，但对电平触发影响不大 71 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 小电流低压触点 大电流触点 高压触点  RC时间常数应明显大于反弹周期，但会加长上升时间，可 采用施密特触发器来恢复陡峭的信号上升沿 6.4 继电器防护设计 开关浪涌:抑制方法 72 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.4 继电器防护设计 继电器防护电路 继电器驱 动电路 续流二极管 施密特触发器 触点振荡只发生在由断开到接通时 触点振荡被消除 19 73 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.4 继电器防护设计 触点并联使用要慎重  不能用触点并联的方式提高功率 两组触点动作时存在微小的时间差（0.1~0.2ms)，故先接通的一组触 点将承受全部功率，处在超应力条件下进行切换，很容易被大电流形 成的电弧烧毁而失效  不能用触点并联的方式提高可靠性 触点并联可以提高接通的可靠性，但却降低了断开的可靠性，故只能 用于提高一次接通或断开就能完成规定功能的电路的可靠性 74 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2  多用常开触点、少用常闭触点 常开触点比常闭触点在动作时的触点回跳次数少，因而有利于延长触点 的寿命  正确连接转换触点的极性 可动触点接电源阴极，固定触点接电源阳极，与相反情况比，触点的燃弧 时间缩短1/2，提高了触点寿命 3.2.4 继电器 触点的正确连接 75 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.4 继电器防护设计 触点负荷的正确使用  触点电流大小要适当  触点电流太大（如>100mA）时，触点的电弧作用明显减弱，触点在高温 条件下析出的含碳物质不能被电弧烧掉而沉积在触点表面，使触点接触电 阻增大  触点电流太小（如<10mA）时，电压无法击穿触点表面的氧化膜（空气 中含有的水分、盐、硫化物等可能会使触点被氧化或硫化），可能会出现 低电平失效  非阻性负载的作用要注意 触点的额定负荷值是在阻性负载条件下给定的，当使用的负载是感性、容 性及灯载时，有可能可产生10倍左右的浪涌电流 76 Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2Copyright by Yiqi Zhuang 2010 V5.2 6.4 继电器防护设计 正确选择安装方式  振动的影响 一般电磁继电器的簧片均为悬梁结构，因而固有频率低。谐振可使触点压力降 低、瞬时开路、触点抖动等故障，严重时可导致继电器结构损坏  安装方向 产生谐振绝大多数触点抖动是由衔铁振动引起的，因此安装时要求触点的振动方 向和衔铁的吸合方向尽量不与整机振动方向一致，最好是相互垂直  减振措施 如压片安装架、锁紧装置，加减振热垫等  远离发热元件 一般情况下，加电工作时，小功率继电器本身的温度为30℃，中功率的为