可靠性课程(4=电源抗干扰).

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1、仪器可靠性工程 1 1 （4）瞬态干扰的抑制 电网上经常会受到瞬时电压冲击，包括雷击造 成的过电压冲击，电网电压的浪涌和尖峰，工 业火花以及静电放电等，这些对电子设备，特 别是微机化仪器仪表产生极大的危害，轻者使 性能指标降低，如测量有大的误差；重者使系 统紊乱，或发生错误指令，产生严重的可靠性 问题。 常常采用以下技术措施来预防思想方法：能 量吸收 可靠性设计基本方法EMC 2 2 自恢复保险丝=（PTC）正温度系数热敏电阻 过流保护器件 a) 高分子型尺寸更小，阻值更低，反应更快 b) 陶瓷型 网上产品及技术信息： l 1) 有表面贴装的片式滤波器，等效于穿心电容 l 2) 国家半导体推出

2、全新技术的放大器(运放) l 3) 压敏电阻=Varistor 避雷器，过压保险丝=arrester(or) 可靠性设计基本方法EMC 3 3 压敏电阻 由氧化锌、铋、钴、锰和其它金属氧化物所组 成，其本体结构形成了 PN结半导体特性，且是 一个多结器件，这些结是并联和串联在一起的 。串联起来的结有着较高的电压额定值，并联 起来的结则使其能承受高的电流额定值。由于 它吸收的能量额定值取决于电压与电流两方面 ，所以它与压敏电阻的体积成正比。总之，其 厚度正比于电压，面积正比于电流，体积正比 于其可吸收的能量。 （a）电气特性电压敏感型器件（顾名思义） ，当加在压敏电阻两端的电压低于标称电压时 ，

3、它的电阻；而稍稍超过额定值后，电阻便 急剧 可靠性设计基本方法EMC 4 4 下降，使其上流过大电流，吸收脉冲干扰的电 能，把电压箝制于某一低电压数值上，从而达 到削峰的效果。反应时间为毫微秒级(109 s)。 快！ 可靠性设计基本方法EMC 5 5 它与两个特性一致的背对背连接的稳压管非常 相似，不仅电压反向，正向也有箝位特性，从 而使正负脉冲均能消除。能量转换成热量。只 要参数选择合理，压敏电阻有适当的功率额定 值，将不会对压敏电阻本身以及被保护的线路 造成损坏。 可靠性设计基本方法EMC 6 6 （b）电气参数 l 压敏电压恒流条件下出现在压敏电阻上的 电压值。不同几何尺寸的压敏电阻有不

4、同的恒 流测试条件。 l 外径5mm（实际7mm）测试电流0.1mA 7、10、14、20（9、14、17.5、24mm） 1mA l 残压比指的是具有规定峰值的波形（8/20s 标准冲击电流）通过压敏电阻，其两端峰值电 压（称为最大限制电压）与压敏电压之比，通 常在1.71.8之间。最大限制电压及其对应的电 流（从图上解释，在安全区域内） 可靠性设计基本方法EMC 7 7 国内某厂生产的MYD-10K(10mm尺寸)系列压敏电阻的特性参数 型号规格压敏电压V最大连续电压最大限制电压电容量 AC（V） DC(V) V APF MYD- 10K390 3925 3177 52600 MYD- 1

5、0K820 8250 65135 251800 MYD- 10K151 15095 125250 25900 MYD- 10K431 430275 350710 25250 最后一位 代表有几 个“0” 1010mm，K电压误差10%（J5%，L15%，M20%）。 可靠性设计基本方法EMC 8 8 （C）使用 为减少引线电感（感抗）的影响，两端引线剪 得越短越好。 标称电压的选择一般可按使用电压的 1.21.4倍关系来确定，除考虑电压的波动范围 外，还要注意有效值和峰值间的换算。 对220V AC供电来说，压敏电阻的标称电压应 为1.41.4(峰值系数)220V=430V 注意其有固有电容存

6、在，故其不适宜于在高频 电路中工作，适合于电源进线，稳压电路等系 统中。 可靠性设计基本方法EMC 9 9 接法为: 可靠性设计基本方法EMC 1010 瞬态电压抑制器（TVSTransient Voltage Suppressor）是一种二极管形式的高效能保护 器件，有的又称TVP，AJTVS或SAJTVS。当 TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时 ，它能以1012 s量级的速度，将其两极间的 高阻抗变为低阻抗，可吸收高达数千瓦的浪涌 动率，使两极间的电压箝位于一个较低数值， 有效地保护电子线路使其免受各种浪涌脉冲的 损坏。 可靠性设计基本方法EMC 1111 a.特点响应时间快，瞬态

7、功率大、漏电流低， 击穿电压偏差小，箝位电压较易被控制，体积 小。现在计算机系统，电子设备（通信），电 源，家电等领域获得广泛应用。具体应用为： TVS加在信号及电源线上，能防止CPU系统因 瞬间的脉冲，如静电放电效应，交流电源之浪 涌及开关电源的噪音干扰所导致的失灵。 TVS放置在信号级及接地之间，能避免数据及 控制总线受到不必要的干扰。 可靠性设计基本方法EMC 1212 TVS比压敏电阻性能优越，简单的比较如下 TVS压敏电阻 反应速度1012 s109 s 有否老化现象无有 最高使用温度175115 封闭性质密封不透气透气 价格较贵便宜 可靠性设计基本方法EMC 1313 b.应用 T

8、VS器件可以按极性分为单极性和双极性两种 ，按用途可分为各种电路都适用的通用型和专 用型，如各种交流电压保护器，420mA电流环 保护器。数据线保护器，同轴电缆保护器，电 话机保护器等。 按封装及内部结构分为：轴向引线，DIP TVS 阵列（适用多线保护），贴片式，组件式和大 功率模块式。 可靠性设计基本方法EMC 1414 背面的 0.3mm=12mil 1mil= mm=0.025mm= 25.4mm =10-31英寸 电容感性由两部分组成: 导线电感 电容的体电感 可靠性设计基本方法EMC 1515 其它要点：7.5V-440V的 l 确定被保护电路的最大直流或连续工作工作电 压，电路的

9、额定标准电压，交流电压应算出最 大值1.414有效值。 l TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于被 保护电路的最大工作电压。若选用VWM太低， 器件可能发生雪崩或因反向漏电流太大而影响 电路的正常工作。 l 串接分压电压，并接分电流。但一般不采用此 ，可能由于各个器件时间特性的差异，造成器 件损坏。 可靠性设计基本方法EMC 1616 l TVS的最大箝位电压Vc应小于被保护电路的损 坏电压。 l 在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲 功率必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉 冲功率，其峰值脉冲电流也应大于瞬态浪涌电 流。 l t，反向漏电流，允许功耗在+25+175 范围内线性

10、下降50%，击穿电压VBR也。所以 必须查阅datasheet，充分考虑温度对其特性的影 响。 可靠性设计基本方法EMC 1717 典型应用图： 图？板书（P.11） (P10反页) 瑞士夏弗纳（Shaffner）电子股份有限公司是EMC全球第一品 牌，北京光华世通科技有限公司是其分销服务公司。 各种EMC滤波器 电感器 馈通滤波器(穿心滤波器) 馈通电容(穿心电容) 输出滤波器 新产品: 电源线通信解耦滤波器 滤波连接器 EMI/RFI滤波器设计和制造 TVS的名牌公司有美国的：PROTECK PROTECK(DEVICES) 可靠性设计基本方法EMC 1818 1电源抗干扰 2PCB有关问

11、题 PCB=Printed Circuit Board 是电子系统必不可 少的部件。设计和应用中，PCB有关抗干扰的 问题很多，这里加以归纳和总结。 有些专业厂家钻牛角尖地声明“印制电路板”不 应称“印制电路”，因为上面没有元件，仅只有布 线。即以他的的英文称呼为：Printed Wiring Board. 可靠性设计基本方法EMC 1919 1）印刷电路板的类型 （1）单面板0.25.0mm的绝缘基板上仅只有 一面敷有铜箔板（通常厚度为35m）现少用。 （2）双面板0.25.0mm （3）多层板 （4）软印制板基板是可挠性的层状塑料或其 它质软膜性材料（如聚脂或聚亚胺绝缘材料） ，厚度一般为

12、0.25 1mm，也有单层，双层及 多层之分。 （5）平面印刷板印刷导线嵌入绝缘基板，基 板表面平齐。 可靠性设计基本方法EMC 2020 2) 基板的类型 （1）酚醛纸基板（又称纸铜板）机械强度低 （弯曲），易吸水，耐高温性能差，价格便宜 。（150） （2）环氧酚醛玻璃布板电气及机械性能好， 既耐化学溶剂，又耐高温潮湿，但价格较贵。 （3）环氧玻璃布板电气及机械性能好，耐高 温潮湿，板基透明。 （4）聚四氟乙烯玻璃布（塑料王）具有优良 的介片性能和化学稳定性，耐高温，高绝缘的 新型材料。（200以上） 可靠性设计基本方法EMC 2121 （5）特殊印刷板从低频到高频，从刚性板 挠性板 挠性

13、印刷板没有或可减少接插件而互联。 刚挠性混合多层板 微波(高频)印刷板线条与间距原为0.1mm ，现在几乎提高到一个数量级：0.050.06mm 乃至0.040.03mm 可靠性设计基本方法EMC 2222 金属芯印刷板散热性好，尺寸稳定，有屏 蔽作用！ 敷铜箔一般是1520m，35m就是加厚板了， 最大可到5060m。 可靠性设计基本方法EMC 2323 3）多层板的布置问题 总的原则每个布线层必须与一个电源或地线层相邻。 多层板的布置 层数/ 层 1 23456 备注 2 S1 G S2 P S2为主要 层，S2、 S3为低速 信号层 4S1GPS2 6S1GS2S3PS4 6S1S2GP

14、S3S4 6S1GS2PGS3 可靠性设计基本方法EMC 2424 4）板上元器件的布局按速度分块！ 可靠性设计基本方法EMC 2525 布局的其它问题： （1）又大又重，发热量大的元器件不宜装在PCB 上，而应装在整机的机箱底板上； （2）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位 置，使电路布局便于信号流通，并使信号尽可 能保持一致的方向； （3）以每个子功能单元电路的核心元件为中心， 围绕它来布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地 排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间 的引线和连接。 （4）电路板的形状为矩形，长宽比通常取3：2或 4：3。尺寸大于200mm150mm要考虑电路板 的机械强度

15、和弯曲变形问题。 可靠性设计基本方法EMC 2626 单片机系统电路板布局 不是唯一的，仅作为参考 还有A/D，D/A部分，作为低速敏感部分 可靠性设计基本方法EMC 2727 5) 板上的走线 l 许多EDA工具(如protel)都有自动布线功能。但 为了有可靠的，EMC性能好的PCB走线，还是 倾向于手工布线。 l /20原则： 根据天线理论知道，天线长度都设计为对应特 定的频率，对应于波长1/4或1/2，以成为一个有 效的发射器。故在PCB走线长度上，要求其长 度小于/20，是其上信号频率的对应波长，包 括地线、电源线。 可靠性设计基本方法EMC 2828 W(mm) L(cm) 13 13103031030 DC1KH Z 5.7M17M57M170M5.71957 10KHZ5.7517.3581755.92061 100KHZ7.224923101462225 1MHZ441737302.60.130.592.2 3MHZ0.130.522.177.80.391.756.5 10MHZ0.441.77.8261.35.922 30MHZ