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第五章电子系统设计中的工程问题5.1概述5.2电子系统的抗干扰设计5.3电子设备热设计5.4可靠性设计5.5印制电路板的设计与装配5.1概述“工程”与“原理”一个电子系统，除需要达到预期的功能、指标外，还涉及到其它工程技术问题，如电磁兼容、可靠性等问题。实际上，这些也是系统其他方面的性能指标。主要的工程问题主要有：抗干扰、电磁兼容、热特性、可靠性等等。5.2电子系统的抗干扰设计5.2.1电磁干扰与电磁兼容问题5.2.2干扰的类型5.2.3干扰传播的途径5.2.4干扰的主要形式5.2.5抗干扰设计方法5.2.1电磁干扰与电磁兼容问题在工业测试现场存在着严重的干扰，如声、电、光、磁、振动，以及化学腐蚀、高温、高压等。这些干扰会对安装在工业现场的测量造成影响，轻则影响其精度，重则是系统无法工作。电磁干扰与电磁兼容概念现代电子产品，功能越来越强大，线路也越复杂，电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）成了主要问题。电子设备的周围充满了电磁干扰信号，而其本身对其他设备而言是一个干扰信号源。提高设备的抗干扰能力，同时降低电子设备本身对周围电磁环境的污染，这就是电磁兼容(EMC)问题。EMC=ElectroMagneticCompatibility的定义：在同一电磁环境中，设备能够不因为其它设备的干扰影响正常工作，同时也不对其它设备产生影响工作的干扰。电磁兼容设计就是针对电子产品中产生的电磁干扰进行优化设计，使之能成为符合各国或地区电磁兼容性标准的产品。（国标GB/T4365-1995）EMC认证产品的EMC认证是依据产品的电磁兼容标准和相应的技术要求，经过认证机构测试确认，并通过颁发认证证书和认证标志来证明某一产品符合相应标准和相应技术的要求。在我国EMC认证已纳入3C认证范围(中国强制认证，英文名称为“ChinaCompulsoryCertification”，英文缩写为“CCC”，也可简称为“3C认证”)，国家对有强制性电磁兼容国家标准条款的产品实行安全认证制度，对这些实施电磁兼容安全认证的产品在进入流通领域实施强制性监督管理（没有进行电磁兼容安全认证就不能进入流通领域)。EMC结构图EMC电磁兼容EMI电磁干扰EMS电磁耐受（抗扰度）CE传导性干扰RE辐射性干扰CS传导抗扰度RS辐射抗扰度1）电源（专项测试）2）屏蔽（网状结构）3）接地4）结构导电性设备满足电磁兼容须具备：EMI：分传导干扰和辐射干扰传导干扰：通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个网络。辐射干扰：干扰源通过空间把信号耦合（干扰）到另一个电网络。在高速系统中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其它系统或本系统内其它子系统的工作。EMI和EMC问题辐射干扰辐射包含两部分：产品向外的辐射和外界对产品的辐射（通过场传输）影响：辐射超标抗干扰差传导干扰传导包含两部分：产品向外的传导和外界对产品的传导（通过线传输）。影响：传导超标：通过导线影响其它产品的正常工作。抗干扰差：容易被其它产品影响电磁干扰三要素1)干扰源（能量源）2)被干扰对象（接收器）3)耦合路径解决电磁干扰的方法：屏蔽、接地、滤波干扰源接收器EMC测试电磁屏蔽室电源滤波器通风板电缆接线板通风板分为传导测试和辐射测试EMC常规测试项目静电放电抗扰度GB/T17626.2;IEC61000-4-2电快速瞬变/脉冲群抗扰度GB/T17626.4;IEC61000-4-4辐射电磁场浪涌（雷击）抗扰度注入电流抗扰度电压暂降和短时中断抗扰度电磁干扰（EMI）对电子设备可形成不同程度的危害，轻则可使设备的性能指标下降，重则可使设备不能正常工作，甚至可使机内较为脆弱的半导体器件击穿或烧毁。在干燥的气候条件下，人体可带有上万伏的感应静电。此时，如果触摸甚至靠近MOS类高阻抗器件，很可能导致器件损坏。防静电服、释放静电电磁干扰的危害另外，过度的电磁干扰会危害人体健康，破坏生态平衡举例：使用手机会对电视机造成干扰，在电视画面上形成条纹；冰箱的启动导致电脑的错误动作；使用心电仪器时若有人使用手机会对仪器产生干扰；客机在暴风雨中作紧急降落时其电子导航系统遭到电磁干扰可能失效；5.2.2干扰的类型1)自然干扰源静电、雷电及来自外太空的电磁干扰（如宇宙射线、太阳黑子、耀斑）等。这些干扰信号常常造成通信、广播的中断，造成设备的损坏。各类噪声有自己的时、空分布。2)人为干扰源对电子设备本身无用的信号即为干扰信号，如电台发射的无线电波、继电器的切换噪声、汽车的点火电火花污染等。一、外部干扰典型设备承受的干扰热噪声：主要由导体内部自由电子无规则的热运动所产生的。这种噪声除了在超低温外是不可避免的，温升越低噪声越小，所以要尽量抑制温度的上升。感应噪声：由于电路元件或布线间的电磁感应而造成的各电路的相互干扰所引起的噪声。二、内部干扰信号失真引起的噪声：信号波形在电路中失真畸变而引起的噪声。自激振荡：具有放大功能的电路，其输出信号的一部分通过“寄生耦合”以正反馈的方式加到电路的输入端而产生不需要的自激振荡形成的噪声。等等内部干扰（续）5.2.3干扰传播的途径干扰信号作用于电子设备，有传导和辐射两种途径。电子设备中的导线、元器件、结构体等都能形成传导和辐射耦合通道。它们有时起着天线的作用，发射和接收干扰电磁波。电磁干扰的传播途径：1、电场传播——电容耦合（原理）寄生电容2、磁场传播变压器原理当接收电路距噪声源较远时（），噪声源主要通过辐射电磁场传播（天线效应），噪声电压为：式中：E——辐射场强度；——天线有效高度；当接收导线垂直部分高度时，有效高度2reNEhVeh4hhhe213、辐射电磁场传播4、导线传播（介质传播）（1）共电源噪声的传播靠近电源输出端接入，消除公共线路阻抗影响（2）共接地线阻抗噪声的传播大电流、小电流的地线一定要分开或单独接地5、信号输出电路的串扰A路I变化，产生UI，影响到B及C路。应避免大电流输出回路与其他输出回路并联工作。6、漏电流耦合由于元件引脚、接线柱、印刷电路板、电容内部介质等都是有一定的绝缘电阻的，因此流过绝缘电阻的漏电流也会耦合干扰。特别是当漏电流流入高输入阻抗放大器的输入级时，影响特别严重。干扰的主要形式1、空间干扰空间干扰主要指电磁场在线路、导体、壳体上的辐射而引起的噪声。干扰来自于系统的内部和外部，系统本身既可能接受外来干扰也可能对外产生空间干扰。空间干扰强度上小于过程通道干扰和供电系统干扰，空间干扰可用良好的屏蔽、正确的接地和布局设计解决。2．过程通道干扰过程通道是电子系统相互通道进行信息传输的路径。长线传输是干扰产生的主要原因。当传输线上的信息为脉冲波时，传输线会出现延迟、畸变、衰减与通道干扰耦合(串扰)，还接收空间电磁场的干扰。为保证长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离、双绞线传输、同轴电缆传输、阻抗匹配及屏蔽等解决干扰问题。sUnUU1C2C线扰干)b(因原生产)a(式形现表扰干模串6-8图s计算机控制系统计算机控制系统aI串模干扰模型3．供电系统干扰电子系统中最重要、危害最严重的干扰来自供电系统干扰。由于任何电源及线路都存在内阻，所以电网中出现的各种干扰信号都可能对电网中的各种设备包括电子系统产生干扰。例如:大功率设备，大感性负载设备的启停使电网电压大幅度涨落（浪涌），欠压或过压常常达到额定电压的15%以上。供电系统干扰问题通过稳压、隔离、滤波等措施加以解决。5.2.4抗干扰设计方法不同的干扰要采用不同的抗干扰办法。电子系统抗干扰设计分为硬件和软件软件抗干扰使用灵活、成本低廉，但增加了软件编程工作量和CPU运行时间，而且对于某些干扰也难以消除，因此，在系统抗干扰设计时应将软、硬件抗干扰措施有机地结合起来，使它们相辅相成，保证系统运行的可靠性。1．硬件抗干扰措施（根据干扰形式）(1)切断来自电源的干扰任何电源及输电线路都存在内阻，内阻是引起了电源的噪声干扰。(如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸收，在线路中不会建立起任何干扰电压)电子系统中危害最严重的干扰源来源于电源。在某些大功率设备的电网中，对电源检测，在50周正弦波上叠加有1000多伏的尖峰电压。常见交流电源噪声种类（1）过压、欠压（2）浪涌（10％～15％），（3）尖峰电压（4）射频干扰可采用交流滤波器+交流稳压器基本措施:（1）交流进线端加交流滤波器。滤掉高频干扰，如电网上大功率设备启停造成的瞬间干扰。滤波器安装要加屏蔽并良好接地，进出线要分开，防止感应和辐射耦合。低通滤波器仅允许50Hz交流电通过，对高频和中频干扰有良好的衰减作用。（2）要求高的系统加交流稳压器。（3）隔离变压器、桥式整流（4）采用集成稳压器进行稳压注意稳压器的压降参数(LDO),可采用低压差（5）直流输出采用大容量电解电容进行平滑滤波。（6）交流电源线与其他线尽量分开，减少耦合干扰。交流电源线与直流电源线及信号线分开走线。典型线形电源设计开关电源设计：EMI滤波+DC-DC+电容电感等滤波(2)切断来自过程通道的干扰（隔离与匹配）①模拟信号通过隔离放大器进行隔离。由于切断了系统与外界的一切电的传输联系，因而过程通道中的干扰可以被有效地消除。（隔离运放）②数字信号采用光电耦合器隔离，隔离过程通道中的干扰信号，特别是用于不同接地电位的系统之间的信号传输，如下图所示。③采用变压器隔离（射频）驱动大电流用继电器隔离分为机械和固态④模拟地和数字地分开，避免公共地阻抗对模拟信号和数字信号产生耦合作用。⑤用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗干扰能力。这是因为干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流而被抑制。光电耦合器就是工作在电流状态，干扰信号产生的弱电流无法形成足够的光通量，因而传输中断。⑥采用双绞线或同轴电缆传输。使用平行线时，当信号线周围电磁场发生变化，信号线上就感应了干扰噪声：（1）图(a)所示，使用双绞线传输时，双绞线能使各个小环路的电磁感应干扰相互抵消，故对电磁场变化引起的干扰具有一定的抑制效果。（共模干扰）（2）图(b)是使用同轴电缆传输示意图，由于同轴电缆外壳有屏蔽作用，只要注意正确接地，就可以有效地抑制电磁干扰。目前流行光纤传输⑦长线传输的阻抗匹配。长线传输时，阻抗不匹配的传输线会产生反射，使信号出现畸变、衰减，导致信号失真。为了对传输线进行阻抗匹配，必须估算出它的特性阻抗。（主要针对高频）⑧注意元件的安装位置与角度。特别是变压器、电感线圈等产生的磁场因具有特定的方向性，应考虑它们对其他电路的影响。⑨滤波采用滤波器使信号与干扰在频谱上分离。为了减少宽带噪声干扰，在可能条件下，使电路的各个环节做成窄带，以限制噪声。高频电源、交流电源、强电设备产生的电火花甚至雷电，都能产生电磁波，从而成为电磁干扰的噪声源。当距离较近时，电磁波会通过分布电容和电感耦合到信号回路而形成电磁干扰；当距离较远时，电磁波则以辐射形式构成干扰。解决方法：屏蔽屏蔽技术的基本原理时把电路线和磁力线的影响限制在某一个范围，即隔离“场”的耦合。常用低电阻的金属材料（如铜和铝）制成一个空腔的金属盒，将电路置于屏蔽盒，并将屏蔽盒良好接地。⑩屏蔽技术(3)抑制空间干扰（屏蔽与接地）①加大印刷板间的间隔，加大导线间、元器件间的间隔，导线之间添加接地线等。②系统中敏感部件远离开关功率源。③长线传输使用同轴电缆或屏蔽线。④使用金属机壳并接地屏蔽，若采用塑料机壳，应在内层涂金属作为屏蔽层。①接地设计:地的分类：信号地，电源地，大地（安全地、屏蔽地）等。安全地：防止发生人身伤害事故而将机壳接大地信号接地方式悬浮地、一点接地，多点接地、混合接地地：地是信号的参考电位，以地为0电平，理想的情况下地线上任两点间的电位差为零，但实际上地线仍然要用金属导体来实现，不可避免的存在导线的阻抗，地线是信号回路的一部分，是信号电流回流的必经之路，这样就在地线上形成了电位差。当各种信号电流流经同一地线阻抗时，形成了公共阻抗干扰。为了减少地线引起的干扰，采用合适的接地方式。高电压、大电流最好靠近电源输出端PC