电子设计可靠性工程4-基本防护方法

第4章基本防护方法主讲：庄奕琪电子设计电子设计可靠性工程可靠性工程CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.02本章目次4.1概述4.2接地4.2.1概述4.2.2单点与多点接地4.2.3混合接地4.2.4其它接地4.3屏蔽4.3.1屏蔽的作用与分类4.3.2屏蔽体设计4.3.3屏蔽兼容考虑4.4滤波4.5差分4.6隔离4.7电缆4.7.1电缆的类型4.7.2电缆的屏蔽4.7.3电缆的接地4.7.4电缆的综合选用4.8匹配4.8.1传输线效应4.8.2匹配的实现CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.034.l概述防护设计:目的与分类„什么是防护设计？„针对有可能危害电子元器件、电路、电子系统的各种不期望的过应力、干扰及噪声（以下统称“干扰”），在电路设计、印制板设计、结构件设计、系统设计等方面采取的防范措施„防护设计的分类„针对干扰来源，可分为抗浪涌设计、防静电设计、避雷设计、电磁兼容设计、辐射加固设计等„针对干扰载体，可分为电路防护设计、印制电路板设计、结构件防护设计、电缆防护设计等„针对抗干扰方法，可分为接地设计、屏蔽设计、滤波设计、隔离设计等（详见本章）„针对防护途径，可分为空域防护（如屏蔽）、频域防护（如滤波）、时域防护和能域防护（如浪涌防护元件）„针对典型元器件，可分为高速数字IC、电源、放大器、微处理器等防护设计（详见第6章）CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.04„消除或隔离干扰的来源：对于不可消除的某些人为干扰源（如串扰）以及自然界产生的干扰源（如雷击、天体辐射），可采用隔离的方法（如屏蔽、隔离元件）来解决„切断及阻挡干扰的传播途径：对以“路”的形式传播的过应力及干扰，可采取切断传输通道的方法；对以“场”的形式传播的过应力及干扰，可采取屏蔽或合理接地的方法„减少接收电路对干扰的敏感性：如采用滤波来消弱电路对某一特定频段干扰的敏感性，采用恒温电路来减少电路对温度变化的敏感性等一个设计良好的电路应具有对有用信号敏感，对无用干扰不敏感的特性。防护设计虽然不是可靠性设计的全部，但确实是可靠性设计的一个重要组成部分4.l概述防护设计:基本途径CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.04.2接地4.2.1概述4.2.2单点与多点接地4.2.3混合接地4.2.4其它接地CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.06交流电源地(中线)直流电源地信号地电子设备电缆屏蔽地避雷保护地系统地机壳地大地4.2.1概述什么是“地”？CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.07电源地数字地模拟地机箱地大地4.2.1概述什么是“地”？(续)CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.084.2.1概述接地的目的„提供信号参考电位与返回路径„使整个电路系统的所有单元具有统一的参考零电位„为电路系统提供电源电流和信号电流返回其源的低阻抗通道„防止（电磁、静电、浪涌等）干扰„内部电荷可通过本机地释放到大地„外部干扰因接地机壳的屏蔽作用而不能侵入„保证安全„发生雷击等强电磁冲击时，可避免电子设备被毁坏„工频交流电源因绝缘不良等原因直接与机壳相通时，可避免操作人员发生触电事故合理的接地是昀经济、昀有效的电子硬件防护设计措施CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.094.2.1概述信号返回路径„信号电流必须有返回路径，才能形成闭合回路„对于平衡电路，信号电流可通过专门设置的信号线返回；对于非平衡电路，信号电路通过地线（或电源线）返回„当存在多条返回路径时，电流将沿阻抗昀小的路径（不一定是几何上昀短的路径）返回，因此低频下按电阻昀小的路径返回，高频下按电感昀小的路径返回CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.010„直流情况下，地线通常是电源电流的返回路径„低频情况下，通常地线阻抗信号线阻抗，故地线是信号电流返回路径（此时可视为信号地）„在高频情况下，地线阻抗不一定比信号线阻抗小，地线不一定是信号返回路径4.2.1概述信号返回路径(续)同轴电缆（返回路径是接地的屏蔽层）多层PCB走线（返回路径是接地平面）CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.011„由于趋肤效应，瞬态电流的频率越高，对人体形成损害的电流阈值越小，而且电击感觉会从刺痛逐渐转变为灼热直至烧伤„根据一般的人体电阻，不同环境下允许接触的安全电压是：普通环境为50V左右，潮湿环境的手持设备为24V左右，超过此值就有触电致死的危险4.2.1概述接地对安全性的作用CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.0124.2.1概述接地对安全性的作用(续)接地不当不仅会损害器件与设备，而且会危及人体生命安全。如图，15米长的接地线有0.08Ω的电阻，导致监视器之间有80mV的电压，可能会有致命的电流流过患者的心脏CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.0134.2.1概述“地”的类型„系统接地„大地：地球，昀大的良导体，可有效地吸收和发散电流。采用交流供电的地面固定设备的各种“地”通常昀终都将接入大地，”浮地“设备以设备的导电外壳或者大面积的金属板等作为”大地“„系统地：整个系统的统一接地点„电源地：电源电压的参考电位点，同时也是电源电流的回馈通路，根据电源的不同，又可分为直流地和交流地„机壳地：连接设备的金属机壳，亦可作为屏蔽地或保护地„信号接地„信号地：为信号电压提供参考零电位基准，为信号电流提供回馈通路„模拟地：模拟电路的信号地„数字地：数字电路的信号地„功率地：大电流驱动电路的零电位点，亦称负荷地„安全接地„保护地：连接保护元器件接地引出端形成的地线，为保护元器件提供泄流通道„屏蔽地：为流过屏蔽体的大量高频干扰电流提供旁路通道„防雷地：为防雷击而在建筑物上安装的连接各种接闪器（避雷器）至接地网的地线，直接将雷击电流导入大地„安全地：为保证人身和设备的安全而接的地线，使冲击电流不通过人体而通过安全地泄放在电子设备内部，安全接地与信号接地通常并不直接相连，多数情况下在系统接地处连接在一起。安全接地通常一定要接大地，信号接地则不一定CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.0144.2.1概述理想的接地要求„流经地线的各个电路、部件、设备的电流互不影响，无公共阻抗，无地线环路„接地导体为零阻抗，无直流电阻和寄生电感„接地面为零电位，各接地点间无电位差一般接地或数字地保护地模拟地抗干扰接地或低噪声地机壳、机架、底板接地大地或安全地信号地接地常用符号（工程界习惯用法，并非标准规定）CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.0154.2.2单点与多点接地浮地„类型„全浮地：全部地线均与大地绝缘，适用于航天器、航空器以及车、船、便携等系统中的电子设备„半浮地：设备中的信号地在电气上与其它地线相绝缘，机壳和安全地仍然与大地相连，外部信号可以通过变压器或光电耦合器等隔离元件导入„优点„浮地部分不会受到来自其它地线的共模干扰的影响设备外壳„缺点„浮地电路自身出现的浪涌脉冲、静电荷、高频干扰等无法被旁路或者泄放„要求浮地部分与其它地线之间的绝缘强度足够高（通常要求绝缘电阻50MΩ），否则安全性难以保证。如果浮地部分与外部地之间的绝缘强度不够大，则雷电或者静电感应电压困难造成绝缘击穿而烧毁设备„要求浮地部分与其它地线之间的寄生电容足够小，否则高频条件下内外部电路的相互干扰就难以避免。工作频率越高，设备体积越大，寄生电容的容值或者影响就会越大，因此浮地仅适用于低频电路或者小型设备半浮地系统示意图CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.0164.2.2单点与多点接地单点接地:串联型„各接地回路存在公共阻抗，引发公共阻抗耦合干扰„接地线长度相对较短（仍比多点接地长），地线电感相对较小，有利于减少地线电感引起的浪涌电压和高频干扰各支路接地电位差别较大，且与其它支路电流及接地电位有关适用条件：低频，小电流（如各电路单元为类型相同或相似电路（如均为模拟电路）情形）CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.0174.2.2单点与多点接地单点接地:并联型各支路接地电位差别较小，且只与本支路电流有关„各接地回路不存在公共阻抗，可避免地线公共阻抗耦合引起的干扰„接地线往往较长，易引发浪涌电压和高频辐射或高频串扰适用条件：低频，大电流（如各单元部分为数字电路，部分为模拟电路）CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.0184.2.2单点与多点接地单点接地:适用范围„通常所说单点接地多指并联型单点接地„单点接地的适用范围„小信号低频电路：易受公共阻抗干扰，如低电平模拟电路、精密灵敏放大器、模拟仪器等（大部分模拟电路为低频电路）„大功率电源及感性负载电路：易产生公共阻抗干扰，如DC/AC电源、电动机、继电器、螺旋管等„金属机架或机箱：设备内各部件通过单点接地接入机架或机箱此方法简便使用，但需考虑好如何将电路合理分组，不要将工作功率或噪声电平相差大的电路归于同一个或同一组地线中CopyrightbyCopyrightbyCopyrightbyYiqiYiqiYiqiZhuangZhuangZhuang2012V6.02012V6.02012V6.0194.2.2单点与多点接地单点接地:示例数控机床交流伺服驱动系统的地线结构„信号与电源地线„模拟速度指令信号„仪表输出模拟信号„交流伺服电机编码器指令信号„24VDC电源，供给开关量电路„12VDC电源，供给RS-232通信口„交流电源与金属件地线„外部送入的动力电源零线„动力变压器屏蔽壳„机箱外