1可靠性设计方法2电子保护装置是原来保护设备的，如果由于保护装置的不可靠，需要保护时保护不能正确动作造成设备损坏、或者不需要保护动作时误动作造成经济方面的损失，保护就失去了原有的意义。因此，电子保护的可靠性是一个十分重要的问题。3影响可靠性的几个因素9工作原理是否完善9电磁兼容性（主要是抗干扰的能力）9热设计9机械结构、强度设计9使用环境（温度、湿度、气压、射线辐射等）9元器件、部件质量9使用中维护9生产制造工艺4电子设备失效的几种原因统计失效原因占失效总数的百分比（）设计原因40元器件质量30操作和维护20制造工艺10由此可见，在设备失效的原因中，设计原因是主要的。在我国的统计也有类似的情况。注：美国海军电子实验室统计5设计对可靠性的影响设计对可靠性的影响是显而易见的，一个不完善的设计必然会给保护装置的可靠性带来隐患。很多设备实际出现的情况也验证了设计是否完善对可靠性的影响。另外，从产品研制的程序来看，设计是第一道工序。如果产品设计的可靠性水平本来就低，制造工作做得再好也不能提高产品的固有可靠性水平。6电池兼容设计7抗干扰技术一、抗干扰的三要素干扰源所产生的干扰之所以能够干扰正常工作的电子系统，是因为存在着一定的传播途径即耦合通道。下图所示为典型的干扰信号传播途径方框图。8描述一个电路所受到的干扰的程度如用N来表示，则N可以用一个关系式来定义：这里：G代表干扰发生源的强度；C代表从干扰源通过某种途径传到受干扰处的耦合因素；I表示受干扰的电路的抗干扰性能。ICGN=G、C、I即表示了抗干扰的三要素。9要使电路受干扰的程度小，则必须在这三方面想办法。第一，使G变小，就是将客观存在的干扰源强度在发生处抑制得很小；第二，使C减小，就是将干扰信号在传播途径上给予很大的衰减；第三，应使I增大，就是在受干扰处用各种措施，使电路的抗干扰能力提高，或在受干扰处将噪声抑制下去。10二、在干扰源处抑制干扰如果能找到噪声源，而且在噪声源处采取措施不让噪声传播出来，就能彻底地解决问题。按上述原则，首要的条件是找到干扰源，其次分析有无抑制干扰和采取相应的措施可能性等。有的干扰源是很明显的，例如雷电、广播电台的发射、电网上大功率设备的运行等。不过，象这种干扰源处是不可能采取什么措施的。但是，在电子电路的许多干扰源处是有可能采取各种有效措施的，问题在于往往不清楚干扰源是什么，在什么地方。11寻找干扰源的原则：电流和电压剧变的地方就是电路的干扰源。用数学描述就是：di/dt、du/dt大的地方就是干扰源。从电子电路噪声传播的几种主要途径来看：1、电流变化大或大电流工作的场合，常常是产生电感性耦合干扰的主要根源。2、电压变化大或高电压工作的场合，常常是产生电容性耦合干扰的主要根源。3、公共阻抗耦合的干扰（噪声）也是由于变化剧烈的电流在公共阻抗上所产生的压降造成的。12几种典型例子1、开关白炽灯以前，装置中的各种指示灯常用白织灯。白炽灯在未点亮的时候，灯丝是冷的，电阻很小。在电源接通的瞬间，灯丝上突然流过比稳定时大515倍的冲击电流，灯丝变热后，电阻变大，电流才变小而稳定下来。如小型灯泡的正常稳定电流是50mA，则冲击电流瞬间可达0.5A左右。（加入限流电阻、限流电路来改善）132、集成电路的开关动作数字集成电路在输出状态翻转时，其工作电流的变化很大。具有推挽输出结构的TTL电路，在状态转换的瞬间，其输出部分的两个晶体管(电流吸收管和输出缓冲管)由于电荷储存的原因，会有大约10ns的瞬间同时导通，这相当于电源对地短路(限流电阻很小)。每一个门电路，在这转换瞬间有30mA左右的冲击电流输出。冲击电流是宽度约为10ns的三角波，因此含有十分高的频率成分，它在印制线的阻抗上会产生尖峰噪声电压。14随着印制线路板装配密度提高以及集成电路的集成度提高，一块印制板上会有几十个门电路同时翻转，特别是随着大规模集成电路的广泛应用，这种冲击电流可能更大。例如，RAM电路在平时消耗电流很小，而在读写的瞬间消耗的电流很大。一片4096工作时有80mA左右的冲击电流，16片电路一起工作时可达1.28A。而这个冲击电流的变化时间仅有15ns。按didt计，其突变是很陡峭的。15这种电流的变化，稳压电源是难以稳定调节的。一般稳压电源的稳压能力只取决于误差放大器的性能，其频率特性只达10kHz数量级，对10ns级的剧烈变动是无济于事的。对于集成电路开关工作时产生的电流突变，可以在集成电路附近加接旁路电容将其抑制。16另外，在印制线路板的电源输入处，也应旁接一个100uF左右的钽电容和一个0.05uF左右的陶瓷电容。适当增加旁路电容，频率成分很高的冲击电流被旁路电容所旁路，形成一个小环路。这种分散的尖峰电流环对整个回路的影响要比原来小得多。最好每一块大规模集成电路或每一块运算放大器能旁接一个高频陶瓷电容。17在电源总线和地线总线的一侧装有一排排集成电路。如果只允许接一个旁路电容，那么接在什么位置效果最好，如果允许接两个，又该接在什么位置上为好？下图是一种常见的印制线路装配图。从A到D全部接入当然最好；但是如果只允许接入两个旁路电容，则接在A和C的位置和全部都接置差不多；在只接入一个电容的场合，则B的位置要比A的位置要好。18从上述可以大致地得到这样一个结论：在一排电路中，如果只允许接一个旁路电容，应该接在这排电路全长的1/3处（近电源线和地线的支线终端）。当允许接入两个旁路电容，则应分别接在1/5和3/5处。当允许接入n个电容，则应分别接在1/(2n+1)、3/(2n+1)(2n-1)/(2n+1)处。19对于什么样的集成电路必须每一个接入一个旁路电容，也有一个大致的标准。在TTL电路中，一般以5V5的变动为界限，如果电路的工作电流由于印制线的电感成分所产生的噪声电压大于250mV时，就要在此集成电路上加旁路电容。旁路电容的引线要尽可能的短，且应直接接在此集成电路的电源端和地端上。对于集成电路，特别是大规模集成电路，由于有的开关速度高，有的功耗电流大，电路内部引线和插脚本身的电感所产生的噪声电压也不可忽视。一般而言，电路的插脚芯数决定了集成电路的大小，也决定了这种引线电感的大小。203、接通电容性负载当接通电容性负载的瞬间也会产生突变的冲击电流。这种在干扰源处的抑制方法，可以串接一个电感来使冲击电流减少，也可以在接通瞬间串入一个限流电阻，当电容性负载充电到一定时间后再撤消这个限流电阻。214、断开电感性负载在电感负载上流动的电流突然被中断时，瞬间在电感中会产生与原来电流方向相反的冲击电流，在电感两端形成一种反冲电压。正常电流越大或电感量越大（即能量大），所产生的反冲电压也越大。反冲电压的幅值可以比电源电压高10200倍。反冲电压的大小还和线路分布电容有关。22电源电压为24V，当电源突然切断时，电感两端将产生350V幅值的反冲浪涌电压。下图是这种反冲浪涌电压的波形。电感负载成为一种强烈的干扰源的情况是很常见的，只要电路中存在诸如继电器之类电感负载的开关工作，又不采取任何措施，那么电路一定会受到这种反冲电压的干扰。SURLLUL23当由于机械式接点造成电感性负载的电流突然中断，则电感内部的能量将消耗在接点间的放电中，这又是一个强烈的噪声源。在一般回路中，机械式接点断开时，只要接点间有15V以上的电位差和回路上有0.5A的电流流过时，接点间就会产生火花放电，这种放电还会产生强烈的高频波辐射噪声。当接点间电压高于300V时，将发生辉光放电，成为更强烈的噪声源。直到放电将电感中的能量消耗尽殆，接点才完全断开。24为抑制这种电感负载产生的瞬态反冲电压，同时为了减小辐射和保护接点，可在电感或接点两端，并接一个抑制电路。如果情况不严重，并接在电感上要比并接在接点上更经济些，因为一般接点数目是比较多的。几种反冲电压抑制电路25在继电器、电磁阀之类线圈上加了上述吸收反冲电压的元件后，由于线圈中的闭环电流残余，使线圈的退磁时间变长，电磁铁的释放时间变长。例如，在加接一个二极管后释放响应时间要比原来慢30ms或者更长。在有的场合，这是一个很大的缺点，应该加以克服。需要指出：26有人曾用图(c)的方法在继电器上作过试验，所用稳压管的稳定电压为51V，这时继电器释放时间不大于图(a)电路的10；如采用图(b)所示电路，R经调整后使得反冲电压也刚好是51V，这时的释放时间为图(a)电路的700。比较有效的方法如图(c)所示，在二极管上串一个稳压管，这时反冲电压不会超过稳压管的击穿稳定电压，而时间延迟也不长。如图(b)所示，在二极管上串一个小电阻，可以减少释放时间，但效果不显著。(a) (b) (c)27抑制感性负载瞬态反冲电压还可使用浪涌吸收器，浪涌吸收器基本上不影响电磁铁的释放时间，又能将瞬态反冲电压抑制得较低。此外，它还可用于交流电路，是一种较理想的抑制方法。由于吸收回路中流动的闭环电流，仍是一种含有十分高的频率成分的噪声电流，而且其瞬时值也很大。这噪声电流通过布线会形成较强的辐射，所以无论用哪一种抑制电路，都应尽量缩短抑制电路本身的引线，并尽可能地靠近电感或接点相连接。要绝对避免用很长的线将抑制电路装接在其他地方。28三、在噪声传播途径中抑制噪声的措施干扰信号传播的主要途径是：经导线直接传导耦合、经公共阻抗的耦合、电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射耦合等。为了将干扰在末到达电子线路前，就抑制在传播途径中，必须根据其传播的特点，采用各种手段将传播切断或削弱，从而达到抑制吸声的目的。（一）、导线传导耦合干扰的抑制方法干扰经导线直接传导耦合到电路是最常见的，主要例子：干扰通过信号线直接传导给电路；干扰经过交流或直流的电源线传导给电路等。29抑制由导线直接传导的干扰，主要措施是串接滤波器和并联暂态电压抑制器、浪涌吸收器。滤波器是一种让给定频带的信号通过，而对其他频率成分产生很大衰减的电路。它分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。为了防止电网中的高频噪声传入电子装置和避免电子装置中产生的高频噪声进入公共电网影响其他设备，一般使用电源低通滤波器，它可以滤除电网中出现的幅度较小的干扰。30并联暂态电压抑制器（TVSTransient Voltage Suppressor）、压敏电阻（浪涌吸收器）主要用来防止电压瞬变和浪涌给电子装置带来的影响。当电网中出现的瞬时大幅度脉冲时，TVS或者压敏电阻将其限制在一定幅度范围内，以保证电源电路和其它后级电路的安全。31由于电网电压的大幅度波动及浪涌电流的冲击所形成的瞬间脉冲干扰，是一种最广泛的由电源网络带来的干扰。这种干扰，一般为差模干扰，表现形式为脉冲状态，其幅度很大，通常为电源基波的510倍，而且持续时间极短，一般为几纳秒到几毫秒。这种干扰，一般不易通过变压器的初次级绕组的磁耦合传输，而是通过初级和次级之间的分布电容传输，为了保护电路的安全和正常工作，可通过吸收其能量和短路干扰信号的办法予以衰减。32(1)压敏电阻压敏电阻可用在电源电路中，用来保护其它电路免遭过电压的冲击。它的工作原理是当它两端的电压一旦超过其导通电压时，就立即导通，同时允许流过很大的电流。它的特点是平均持续功率小，而瞬时功率可大于数千瓦。在820us的雷电波冲击下可通过50-2500A电流。而在关断状态下，漏电流50PA，且具有残压低、响应时间快(us级)和体积小的特点。显然，压敏电阻在瞬时大幅度脉冲下应用，比一般电容器和稳压管优越得多。3334在实际应用时如何正确选用压敏电阻，这将直接影响到保护效果和压敏电阻的使用寿命。一般主要应根据电路情况和工作状态(间断工作或不间断工作)来选