电子设计硬件可靠性设计--总结

质量和可靠性的区别

质量：产品特性满足要求的程度，可以以参数衡量。
可靠性：产品维持质量的持久程度，无法以参数衡量。

产品寿命和产品个体故障之间的关系

产品寿命和产品个体故障之间均为一种统计数据，产品寿命重在“统计平均”这个概念。比如在同一批产品里，购买了一个产品，寿命为1年，当你使用了2个月后就出现了故障，是否就可以说明这个产品的寿命存在问题。这是不可以的，因为这是个体故障而不是产品寿命。在一批产品中平均寿命在1年，而个体故障是有概率的。
在产品寿命中，需要提供一些制造商做产品寿命的数据：测试数量，测试温度，测试时间，出现几台故障。

硬件研发中不可忽略的墨菲法则

墨菲法则

• 任何事情都没有表面看起来那么简单。
• 所有的事都会比你预计的时间长。
• 会出错的事情总会出错—只要发生过一次故障，那么这个故障最终会在客户端爆发。
• 如果你担心某种情况发生，那么它就更有可能发生。

硬件电路设计中提高可靠性的两个主要方法

控制功耗
降额：每个元件都有偏差，在产品设计中温度，功率都需要预留。一般降额30%。

板内电路测试与系统测试的关系

问：系统测试（包括可靠性相关测试）通过，但板内某测试项目未通过，产品测试是否算通过？
当然不能算通过， 因为有时候，即使你的板内测试未通过也不会影响你的系统测试，例如纹波噪声超过你的标准之类的。

关注温度变化引起的电路特性改变

例如户外监测设备在数据传输时，低温环境下无法正常工作。
在设计时，详细阅读芯片手册，需要注意。

• 一般内核芯片，MOS管，I/O口速率<3G的都使用的是CMOS工艺的器件，内阻与温度成正比。
• 一般模拟信号，I/O速率>3G使用TTL工艺的器件，内阻与温度成反比。

关注温度变化引起的电路特性变化

• 在阅读数据手册时，必须关注参数随温度变化的图表，按设备工作温度范围中最坏情况设计。
• 在原理图检查阶段时，芯片内部的上拉和下拉电阻情况需要特别关注。
• 芯片内部的判决门限会随着温度改变，因此从可靠性设计而言，需留足够裕量。

最重要的是距离门限的裕量

• 从门限裕量的角度分析设计中潜在的问题：纹波噪声，温升，信号串扰等。

稳态和瞬态冲击对电路的应力及其差别

• 在数据手册中需要关注数据参数是稳态要求还是瞬态要求。

针对可靠性，电路设计需要特别关注的关键点是什么？

• 在功能，性能的基础上，在电路设计中，可靠性在一下层面提出了新要求：

1：器件个体之间的偏差。
2：温度等环境因素的影响。
3：客户端可能出现的各种情况。

电阻选型要点

• 电阻的几个重要参数：阻值，类型，额定功率，精度。
• 电阻比较容易被忽略的参数：感性，温度稳定性，功率-温度曲线。

电阻选型要点

薄膜电阻VS绕线电阻
（寄生参数：容性。感性小）

• 适合薄膜电阻的场合：高频带；额度功耗低；电压低。
• 适合绕线电阻的场合：额定功耗高；耐高温；阻值随温度变化非常小。在10M频带以下。

精度和温度稳定性

• 精度：在选择电阻时，需要将电阻精度范围计算进去。对于对电阻分压精度要求很高的电路下，需要列出误差最大和最小情况下的值。
• 温度稳定性：当输出电压的温度系数比基准源的温度系数大，且差异不大时，一般选取电阻的温度系数与基准源的相同或相近（但要小于输出电压的温度系数）。

额度功率和额度温度
一颗额度功率未0.1W的电阻，额定环境温度为155°。实际功率为0.07W，降额30%。
问：实际工作环境温度为100°，降额30%，是否可行？

• 首先第一步需要看该电阻的功率与温度的变化。一颗额定功率为0.1W的电阻，在实际工作环境为100的时候，功率是多少？这里举一个例子：该电阻在100°环境下，额定功率已经降额38%左右，为0.06W左右，再降额30%，则0.04W，低于实际功率0.07W。所以在实际选型时，需要注意这个点。
  

上拉电阻的阻值，功耗与抗干扰能力

• 如图：右端是芯片端，左边为上拉电阻。我们知道，当没有3.3V时芯片该引脚未高阻态，当有3.3V时，引脚处于高电平。当上拉电阻很大的时候，未通电是，上拉电阻也可以认为是高阻态状态，从而产生了左端高阻态，右端也是高阻态，则中间就形成了悬空的线，那么这条线就很容易变成天线。
• 解决方案：中间这条线要尽量短，则在PCB阶段将电阻放置离芯片近。

• 还需要注意一种情况。有些芯片厂商在手册中会注明引脚的上拉电阻大小。如果电阻太大，则驱动电流太小，导致芯片无法正常启动。

0欧电阻的用处

• 做兼容性设计
• 放一个小阻值电阻在电路上作为电流测量的备选电路
• 不同地之间的短接方式
• 配置电路。

电容在电路板上所起到的作用

• 理解两类电容在PCB上起到的作用，以及电容和电源的关系，PCB设计要点

• 一般在设计上，芯片的每对电源地之间都加一个1uF的电容，电容要贴近引脚，另感性小，容值要够大。一般电容可以放置芯片下方。即使不在芯片下方，在同一层也可以，只要满足电容阻抗控制在芯片所需要的阻抗，即电源和地之间的阻抗。

优点：高频能量补偿。缺点：电容太大导致瞬态电流大。

• 一般情况下0402的1uF电容的频带比0603的1uF宽。在选择封装小的电容，容值越大越好。选型时考虑：价格和电压
  电容的阻抗：Z=1/jwc，C越大，阻抗越小。

大容值电容的选型和计算实例

大电容的选型技巧

• 容值的确定计算
  由公式可知C为电容容值，△V为电压变化最大值，P为供电给负载的最大功率；△t为大电容外为开关电源无法响应时间。
  △t如何得出：
  由开关频率得出。例如500KHZ的相应速度为50Khz，响应延迟为20us左右。这就是开关电源无法相应时间。
  即在公示中只有C为未知数，所以可以得出电容容值。但是计算出的容值必须留有一定的余量。
  假如你使用的是钽电容，则实际容值=理论值x1.2。陶瓷电容，实际容值=理论值x1.2x（1+误差值）。
  

• ESR确定
  在计算ESR时，需要考虑的是ESR上的电压。Vesr。
  一般△VESR<<△V，一般小于1/5△V即可。
  即ESRx△V=△V
  △V=1/2xImax。
  即可计算出ESR值。

• 纹波电流
  纹波的控制需要做到3点：
  1，Iripple＞△I
  2，ESR足够大
  3，选择大电容

• 实际工作电压离电容的额定电压越小，则电容容值衰减越小。

小容值电容的选型

• 对电源地的电容：补偿
• 对高频超标的场合：某一个频带噪声大时，选择对应频点的电容。
  L为电容贴装感性。
  

电容选型与应用中的可靠性问题

陶瓷电容潜在的可靠性问题
-----避免采用陶瓷电容的8个场合------

• 需要精密容值的场合
  模拟电路中RC------容值偏差大。
• 电源入口需要大容值电容的场合
  陶瓷电容ESR小，容值大导致冲击电流大。
• 对微弱能力极端敏感的场合
  陶瓷电容的外壳是有碳酸钡组成，所以电容本身会产生△V，影响到电容充电放电时的微弱信号电压。
• 需要ESR零点保证的电源稳定性场合
  陶瓷电容小ESR，输出电源无法稳定。
  输出电源稳定的3种办法：1，ESR增大。2，输出导线减短。3，电容增大。
• 有长线缆供电的设备的电源入口
  有谐振峰存在。在长距离传输中，导线上有寄生电容，输入端有电容，从而形成一个低通滤波器。而在输入端会形成谐振峰，可能会导致入口被打坏。
  
• PCB存在变形可能的场合
  由于电容的封装原因，当PCB板卡产品了应力差时，可能会导致电容产生裂缝，从而在长时间中空气和水分的不断侵蚀，最后短路。一般在螺丝钉附近的电容会产生应力差。
• 对压点效应导致的啸叫敏感的产品
  一般是在谐振点比较接近产生的啸叫。
• 高可靠性产品

一般来说电容的容值随工作电压的增大产生大幅度的衰减。

电源的输出电容的ESR时其形成低频零点，从而输出稳定。

增大电容容易产生尖峰电流。

R，L，C的关系：增大ESR，或减小感值或增大电容都是解决输出电压稳定的方案

铝电解电容潜在的可靠性问题

-----------避免使用铝电解电容的6个场合-----------

• 存在交流能力的场合
  铝电解电容存在极性。
• 需要承受极限低温，电容作为滤波方式工作
  当处于低温环境是，电解电容中的电解质形成固态，导致ESR增加。而充放电形成的△I，因为ESR的增加形成△V，从而不能滤波。当然不是在滤波方式工作是可以的。
• 需要承受机械冲击的场合
  容易断裂。
• 噪声以高频段为主的场合
  铝电解电容的感值较大，一般在1M以内。所以无法率高频。
• 元器件库存积压太久
  导致电解液耗尽。
• 需要较高寿命的场合
  寿命差，电容越大，额定电压越大，寿命越低。

钽电容潜在的可靠性问题

--------避免采用钽电容的5个场合---------

• 对成本敏感
• 对爆裂形成的火花敏感
  钽电容容易爆炸
• 供货紧急的产品
  一般钽电容很少人使用
• 很容易产生冲击电流和冲击电压的场合
  容易产生分解反应和氧化反应容易升温爆炸。
• 交流场合

电感，磁珠应用中的可靠性问题

电感磁珠的作用是在线路中增加障碍，可以是线路优先使用近的电容，让电容很好的滤波。一般近的电容形成一阶滤波，电感磁珠产生二阶滤波

• 电感感值
  L与N2正相关。即增大绕线则增大电感。

电感，磁珠的差异

磁珠解决高频中电感无法解决的器件。

• 磁珠N小，一般在一匝以内。则C小，L小，则F大，可以解决高频滤波。

• 电感，磁珠中的电流。

• 在电感芯片中一般存在2个电流：Irms均方根电流和Isat保护电流。均方根电流与温度有关，一般仅做参考。Isat电流为保护电流，任意情况下都不能大于该电流。

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