電路板的可靠性設(shè)計(jì)

　?。?）系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì) 抗干擾問題是現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它直接反映了整個(gè)系統(tǒng)的性能和工作的可靠性。在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力電子控制中，由于其高壓和低壓控制信號(hào)同時(shí)并存，而且功率晶體管的瞬時(shí)開關(guān)也產(chǎn)生很大的電磁干擾，因此提高系統(tǒng)的抗干擾能力也是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。形成干擾的主要原因有如下幾點(diǎn)：

　　1）干擾源，是指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)各或信號(hào)，用數(shù)字語言描述是指du／dt、di／dt大的地方。干擾按其來源可分為外部干擾和內(nèi)部干擾：外部干擾是指那些與儀表的結(jié)構(gòu)無關(guān)，由使用條件和外界環(huán)境因素決定的干擾，如雷電、交流供電、電機(jī)等；內(nèi)部干擾是由儀表結(jié)構(gòu)布局及生產(chǎn)工藝決定的，如多點(diǎn)接地選成的電位差引起的干擾、寄生振蕩引起的干擾、尖峰或振鈴噪聲引起的干擾等。

　　2）敏感器件，指容易被干擾的對(duì)象，如微控制器、存貯器、A／D轉(zhuǎn)換、弱信號(hào)處理電路等。

　　3）傳播路徑，是干擾從干擾源到敏感器件傳播的媒介，典型的干擾傳播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)、電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)和空間的輻射。

　　抗干擾設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是系統(tǒng)或裝置既不因外界電磁干擾影響而誤動(dòng)作或喪失功能，也不向外界發(fā)送過大的噪聲干擾，以免影響其他系統(tǒng)或裝置正常工作。其設(shè)計(jì)一般遵循下列三個(gè)原則：抑制噪聲源，直接消除干擾產(chǎn)生的原因；切斷電磁干擾的傳播途徑，或者提高傳遞途徑對(duì)電磁干擾的衰減作用，以消除噪聲源和受擾設(shè)各之間的噪聲耦合；加強(qiáng)受擾設(shè)各抵抗電磁干擾的能力，降低噪聲敏感度。目前，對(duì)系統(tǒng)的采用的抗干擾技術(shù)主要有硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。

　　1）硬件抗干擾技術(shù)的設(shè)計(jì)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的逆變電路高達(dá)20kHz的載波信號(hào)決定了它會(huì)產(chǎn)生噪聲，這樣系統(tǒng)中電力電子裝置所產(chǎn)生的噪聲和諧波問題就成為主要的干擾，它們會(huì)對(duì)設(shè)備和附近的儀表產(chǎn)生影響，影響的程度與其控制系統(tǒng)和設(shè)各的抗干擾能力、接線環(huán)境、安裝距離及接地方法等因素有關(guān)。

　　轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的PWM信號(hào)是以高速通斷DC電壓來控制輸出電壓波形的。急劇的上升或下降的輸出電壓波包含許多高頻分量，這些高頻分量就是產(chǎn)生噪聲的根源。雖然噪聲和諧波都對(duì)電子設(shè)各運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，但是兩者還是有區(qū)別的：諧波通常是指50次以下的高頻分量，頻率為2～3kHz；而噪聲卻為10kHz甚至更高的高頻分量。噪聲一般要分為兩大類：一類是由外部侵入到飛輪電池的電力電子裝置，使其誤動(dòng)作：另一類是該裝置本身由于高頻載波產(chǎn)生的噪聲，它對(duì)周圍電子、電信設(shè)各產(chǎn)生不良影響。

　　減低噪聲影響的一般辦法有改善動(dòng)力線和信號(hào)線的布線方式，控制信號(hào)用的信號(hào)線必須選用屏蔽線，屏蔽線外皮接地。為防止外部噪聲侵入，可以采取以下的措施：使該電力電子裝置遠(yuǎn)離噪聲源、信號(hào)線采取數(shù)字濾波和屏蔽線接地。

　　噪聲的衰減技術(shù)有如下幾點(diǎn)：

　?、匐娋€噪聲的衰減的方法：在交流輸入端接入無線電噪聲濾波器；在電源輸入端和逆變器輸出端接入線噪聲濾波器，該濾波器可由鐵心線圈構(gòu)成；將無線電噪聲濾波器和線噪聲濾波器聯(lián)合使用；在電源側(cè)接人LC濾波器。

　?、谀孀兤髦岭姍C(jī)配線噪聲輻射衰減，可采取金屬導(dǎo)線管和金屬箱通過接地來切斷噪聲輻射。

　?、埏w輪電力電子裝置的輻射噪聲的衰減，通常其噪聲輻射是很小的，但是如果周圍的儀器對(duì)噪聲很敏感，則應(yīng)把該裝置裝入金屬箱內(nèi)屏蔽起來。

　　對(duì)于模擬電路干擾的抑制，由于電路中有要測(cè)量的電流、電壓等模擬量，其輸出信號(hào)都是微弱的模擬量信號(hào)，極易受干擾影響，在傳輸線附近有強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，信號(hào)線將有較大的交流噪聲?？梢酝ㄟ^在放大器的輸入、輸出之間并聯(lián)一個(gè)電容，在輸入端接入有源低通濾波器來有效地抑制交流噪聲。此外，在A／D變換時(shí)，數(shù)字地線和模擬電路地線分開，在輸入端加入箝位二極管，防止異常過壓信號(hào)。

　　而數(shù)字電路常見的干擾有電源噪聲、地線噪聲、串?dāng)_、反射和靜電放電噪聲。為抑制噪聲，應(yīng)注意輸入與輸出線路的隔離，線路的選擇、配線、器件的布局等問題。輸入信號(hào)的處理是抗干擾的重要環(huán)節(jié)，大量的干擾都是從此侵入的，一般可以從以下幾個(gè)方面采取措施：

　?、俳狱c(diǎn)抖動(dòng)干擾的抑制；多余的連接線路要盡量短，盡量用相互絞合的屏蔽線作輸入線，以減少連線產(chǎn)生的雜散電容和電感；避免信號(hào)線與動(dòng)力線、數(shù)據(jù)線與脈沖線接近。

　?、诓捎?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電隔離技術(shù)，并且在隔離器件上加RC電路濾波。

　　③認(rèn)真妥善處理好接地問題，如模擬電路地與數(shù)字電路地要分開，印制板上模擬電路與數(shù)字電路應(yīng)分開，大電流地應(yīng)單獨(dú)引至接地點(diǎn)，印制板地線形成網(wǎng)格要足夠?qū)挼取?/p>

　　2）軟件抗干擾技術(shù)。除了硬件上要采取一系列的抗干擾措施外，在軟件上也要采取數(shù)字濾波、設(shè)置軟件陷阱、利用看門狗程序冗余設(shè)計(jì)等措施使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。特別地，當(dāng)儲(chǔ)能飛輪處于某一工作狀態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，在主循環(huán)中應(yīng)不斷地檢測(cè)狀態(tài)，重復(fù)執(zhí)行相應(yīng)的操作，也是增強(qiáng)可靠性的一個(gè)方法。

　?。?）電路板設(shè)計(jì) 由于DSP控制器工作頻率較高，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，若印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對(duì)DSP控制器的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細(xì)平行線靠得很近，則會(huì)形成信號(hào)波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計(jì)DSP控制器印制電路板時(shí)，應(yīng)注意采用正確的方法。

　　1）地線設(shè)計(jì)。在DSP電路中，接地是控制干擾的重要方法，如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大部分干擾問題。在一塊電路板上，DSP控制器同時(shí)集成了數(shù)字電路和模擬電路，設(shè)計(jì)電路板時(shí)，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。盡量加粗接地線，同時(shí)將接地線構(gòu)成閉環(huán)路。

　　2）配置去耦電容。在直流電源回路中，負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，是DSP電路板的可靠性設(shè)計(jì)的一種常規(guī)做法：電源輸人端可跨接一個(gè)10～100μF的電解電容器；為每個(gè)集成電路芯片配置一個(gè)0.01 μF的陶瓷電容器；對(duì)于關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲(chǔ)型器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線間直接接入去耦電容。注意去耦電容的引線不能過長(zhǎng)，特別是高頻旁路電容不能帶引線。

　　3）電路板器件的布置。在器件布置方面與其他邏輯電路一樣，應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。時(shí)鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸人端都易產(chǎn)生噪聲，這些器件要相互靠近些，同時(shí)遠(yuǎn)離模擬器件。

　　提高開關(guān)頻率可以減小電感值，從而減小電感的體積，但受功率管開關(guān)頻率和開關(guān)損耗限制，合理的開關(guān)頻率為10～20kHz，這里定為20kHz。