第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月講課內(nèi)容1、可靠性設(shè)計的原則2、原器件的篩選與降額設(shè)計3、漂移設(shè)計4、熱設(shè)計5、電磁兼容設(shè)計第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

儀表是由許多電子元器件及機械零部件組成的，當元器件質(zhì)量指標較低時，采用提高可靠性的設(shè)計方法顯得特別重要?？煽啃栽O(shè)計方法包括安全系數(shù)與降額使用的選擇、冗余設(shè)計、漂移設(shè)計．還要考慮在惡劣的環(huán)境條件下儀表能正常工作的措施，這就是所謂的三防設(shè)計與耐環(huán)境設(shè)計。

隨著自控系統(tǒng)的大型化，由變送器、傳輸線、記錄儀、巡回檢測裝置等構(gòu)成的多路檢測回路需要進行集中控制。這類檢測系統(tǒng)往往受周圍環(huán)境的電磁場干擾，不能穩(wěn)定工作，因此還要考慮抗電磁干擾的設(shè)計。另外所有的儀表都必須經(jīng)由包裝、運輸途徑送到用戶手中，運輸過程則是典型的隨機沖擊振動。如：汽車在崎嶇不平的道路上行駛時，最大沖擊力可達到100g。經(jīng)統(tǒng)計儀表受到20g以下的沖擊值的概率為90％。故設(shè)計時，就需要考慮耐沖擊振動的設(shè)計措施，來應(yīng)付這種高概率的沖擊作用。有些儀表在炎熱的環(huán)境中，需要采用電扇強行冷卻才能正常工作。如果在儀表設(shè)計之初就采取一定的措施，即為“熱設(shè)計”。概述第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則

由于產(chǎn)品類型不同，復(fù)雜程度不同，各類產(chǎn)品失效模式不同，以及工作條件不同等，產(chǎn)品的可靠性設(shè)計內(nèi)容也不盡相同。具體可靠性設(shè)計均應(yīng)考慮下列一些設(shè)計原則。1、收集可靠性數(shù)據(jù)，確定可靠性指標進行產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)先確定產(chǎn)品的可靠性指標。指標的確定，一是按標準規(guī)定，二是由用戶提出，三是由設(shè)計者提出，四是由各方協(xié)商確定。要求首先收集和掌握國內(nèi)、外同類產(chǎn)品或相近產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)。不切實際地追求產(chǎn)品高可靠性指標。就存在能否實現(xiàn)與成本問題。確定可靠性指標一要切實可行，二要指標先進，有利于促進產(chǎn)品可靠性水平不斷提高。第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、考慮明確產(chǎn)品的使用條件及工作環(huán)境因為產(chǎn)品的可靠性，是針對一定的工作條件而言的，這種工作條件包括兩個方面：一是使用條件，主要是指現(xiàn)場操作條件及維護條件，二是工作環(huán)境條件，包括工作地點的溫度、濕度；水分、灰塵、腐蝕介質(zhì)……等等。

3、系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計首先確定系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)類型。當系統(tǒng)類型確定之后，系統(tǒng)可靠性設(shè)計方式有兩種：一是根據(jù)零件(元件)或子系統(tǒng)可靠性預(yù)測結(jié)果計算系統(tǒng)可靠性指標，即系統(tǒng)可靠性預(yù)測，預(yù)測結(jié)果滿足指標要求即可，二是當預(yù)測結(jié)果沒有滿足規(guī)定的指標時，應(yīng)進行可靠性分配，把系統(tǒng)的可靠性指標，分配到子系統(tǒng)甚至分配到零件上。提高系統(tǒng)可靠性，也是從兩方面著手，一是采用貯備系統(tǒng)，比如并聯(lián)系統(tǒng)，表決系統(tǒng)，旁聯(lián)系統(tǒng)等；二是提高元件或零件的可靠性；實際上采用哪種方法提高系統(tǒng)可靠性要作具體分析，視具體情況而定。第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則（續(xù)）第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

4、采用標準件，選用外購件為保證所設(shè)計的產(chǎn)品的可靠性高，易于維修，應(yīng)盡量采用標準化零件。對于外購件、外協(xié)件，應(yīng)選用經(jīng)過考驗的廠家生產(chǎn)的高質(zhì)量產(chǎn)品，而且對外購件、對外協(xié)作要提出可靠性要求，產(chǎn)品進廠時要進行抽驗，以確保系統(tǒng)的可靠性。

5、方案簡化，結(jié)構(gòu)簡單從可靠性角度出發(fā)，產(chǎn)品在滿足要求情況下，組成系統(tǒng)的單元越少，結(jié)構(gòu)設(shè)計越簡單越好。對于新材料、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，要有充分的把握，有的需經(jīng)過試驗并經(jīng)一段時間試用證明確有保證時，再大批使用。第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則（續(xù)）第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

6、耐環(huán)境設(shè)計所謂耐環(huán)境設(shè)計，就是研究環(huán)境應(yīng)力的影響，采取提高耐環(huán)境應(yīng)力的能力措施。主要有下面幾個方面。

(1)溫度影響。比如高溫、低溫、熱沖擊、熱輻射、溫度循環(huán)(如四季溫差變化)等都會對產(chǎn)品產(chǎn)生熱應(yīng)力的影響。解決溫度應(yīng)力影響所采取的措施稱為耐熱設(shè)計，比如防寒設(shè)施，通風冷卻，隔熱等。

(2)濕度影響。比如濕度，降雨，降雪，霧氣，河水，海水，腐蝕性氣體等濕度、水分應(yīng)力影響。

(3)沖擊、振動影響。研究沖擊、振動產(chǎn)生的原因、影響，設(shè)計時采取防止或減少沖擊、振動的措施，如用緩沖、減震裝置等。

(4)日照，風砂，風力，灰塵等影響。

(5)其他影響。如各種場(電場、磁場、重力場等)的影響及各種輻射作用的影響，第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則（續(xù)）第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

7、維修性設(shè)計所謂維修性設(shè)計，就是在設(shè)計時應(yīng)考慮產(chǎn)品的故障容易發(fā)現(xiàn)，易于檢查，便于盡快修復(fù)，甚至在未出現(xiàn)故障時，就·采取必要的措施加以預(yù)防或消除故障于未然。進行維修性設(shè)計，主要考慮以下幾點，

(1)在滿足要求情況下，結(jié)構(gòu)盡量簡單。零件數(shù)目盡量少，調(diào)整環(huán)節(jié)簡便。對于易發(fā)生故障件、故障發(fā)生影響大或故障部位不易發(fā)現(xiàn)處，應(yīng)設(shè)置故障診斷、檢測及指示裝置，以便能快速判別故障并報警。

(2)可達性設(shè)計。即對于容易出故障的部位或零部件，能夠容易接近，裝拆及更換。

(3)盡可能采用獨立的結(jié)構(gòu)單元。分離方便，使整個單元進行迅速更換，這有利于提高設(shè)備的有效度及維修度，替換下的結(jié)構(gòu)單元采用事后維修，更容易保證維修質(zhì)量。

(4)盡量采用標準零部件。加強互換性，還應(yīng)考慮使用標準維修工具。

(5)盡量設(shè)法減少或避免因某一零件更換需裝拆其相鄰的零件。

(6)要考慮維修人員作業(yè)方便與安全。第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則（續(xù)）第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

8、人--機工程設(shè)計由人操縱或控制的系統(tǒng)，不少故障發(fā)生是由于人的失誤所致。工程心理學認為人犯技術(shù)錯誤的概率為10-2一10-5，一般為10-3。要減少人的差錯，可以從兩個方面著手解決，一是人的可靠性問題，其中包括人員責任感、人員技術(shù)水平及人所處的工作環(huán)境；另一方面是考慮人機關(guān)系。人員操作錯誤的原因與人本身、機器及環(huán)境有關(guān)，為了減少人犯差錯的概率，就應(yīng)在人一機工程設(shè)計上下功夫。具體內(nèi)容包含：（1）人的操作可靠性人--機系統(tǒng)可靠度為：

(1)

式中，RM為儀表的可靠度，RH為人操作的可靠度，即操作者無差錯完成功能的概率。第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則（續(xù)）第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月由此可見，要提高人操作的可靠性，就應(yīng)從減少人操作中發(fā)生錯誤的概率及即使發(fā)生操作錯誤不致引起設(shè)備的故障方面進行設(shè)計。

（2）指示系統(tǒng)可靠性設(shè)計，解決系統(tǒng)向人傳遞信息可靠性問題

a)合理地確定信息顯示方式。比如計算顯示或數(shù)字顯示，標量顯示；定性顯示等。

b)顯示器配置設(shè)計。人觀察各種顯示器時，一般要離開相當距離，比如工業(yè)儀表，讀取可靠的最佳距離與儀表外形尺寸有關(guān)，一般推薦下式：（3）

式中，L為讀取距離；D為儀表實際尺寸。第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則（續(xù)）第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

當環(huán)境好時，可取大值，環(huán)境較差時取小值。此外，顯示器位置角度要合理，如從正面觀看，視線與儀表板成600時，讀取誤差小。當有多種信息顯示時，必須設(shè)置集中控制的板面或控制臺，控制臺位置也要合理。

c)顯示器的可靠性，這主要是指顯示器本身可靠性。

(3)操作、控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計---人向系統(tǒng)傳達指令的可靠性

a)控制、操作機構(gòu)及儀器精度高?！?/p>

b)控制、操作機構(gòu)及儀器容易識別。

c)控制、操作機構(gòu)及儀表適于人的使用習慣。

d)控制臺設(shè)計的可靠。

(4)操作環(huán)境的可靠性設(shè)計環(huán)境的可靠性設(shè)計，是使操作者所處環(huán)境盡量適于人的工作需要，減少造成疲勞、干擾操作的因素，這些因素主要有：溫度過高或過低，氣壓，濕度，照明，色彩，噪聲，振動，沖擊，雨雪，污染物等。第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則（續(xù)）第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

9、安全性設(shè)計系統(tǒng)發(fā)生故障后，故障產(chǎn)生的影響及其后果隨故障類型不同而異。但我們從安全性角度考慮，可把機械產(chǎn)品失效分為兩種情況，一是失效導致功能失效，生產(chǎn)暫停，服務(wù)中斷。二是失效除產(chǎn)生上述結(jié)果外，還可能造成人員傷亡，環(huán)境破壞及財產(chǎn)的巨大損失。對于這后一種情況，就存在安全性問題。進行安全性設(shè)計，目的在于保證系統(tǒng)危險性故障發(fā)生的概率最小或一旦發(fā)生故障使其造成的損失最小。概括地說，安全性設(shè)計內(nèi)容和程序如圖1所示。第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則（續(xù)）圖l安全性設(shè)計內(nèi)容和程序第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)安全分析從安全角度對系統(tǒng)進行分析稱為安全性分析。安全性分析主要包括如下幾點：

a)尋找所有零件(或部件)故障模式，研究各種故障對系統(tǒng)及其他零、部件的影響，并確定哪些故障對系統(tǒng)安全性影響最大。

b)確定系統(tǒng)全部不安全失效模式，找出最危險失效模式。

c)確定系統(tǒng)安全方面的最薄弱環(huán)節(jié)，采取改進及預(yù)防措施。常用的安全分析方法有；

a)失效模式、影響及致命度分析，常寫為FMECA(FailureModelEffectandCriticalityAnalysis)。

b)事件樹分析——ETA(EventTreeAnalysis)。

c)故障樹分析——FTA(FaultTreeAnalysis)。

第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則（續(xù)）第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）安全技術(shù)設(shè)計在確定系統(tǒng)失效模式后，要在技術(shù)上采取措施，來保證系統(tǒng)具有一定的安全水平，安全技術(shù)設(shè)計可從以下幾方面考慮。

a)消除產(chǎn)生致命故障的危險因素。如提高危險零部件的可靠度；進行安全保險設(shè)計，設(shè)立保險裝置和防止出現(xiàn)誤操作設(shè)計。

b)異常狀態(tài)的監(jiān)測、報警。對于致命性故障源，要設(shè)立故障監(jiān)測裝置，以防患于未然。例如：火車中的軸承！

c)人員防護設(shè)計，設(shè)立安全防護裝置。

（3）安全評價估計出現(xiàn)失效的概率大小。

（4）風險評價估計故障后果的影響程度與損失大小。第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則（續(xù)）第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

10、可靠性增長在新產(chǎn)品從開發(fā)研制一直到定型生產(chǎn)之前，一般要經(jīng)過：設(shè)計—試制—試驗—修改—小批生產(chǎn)—檢驗—改進—定型生產(chǎn)。在這一過程中，產(chǎn)品可靠性水平在不斷提高，稱為可靠性增長。建立可靠性增長模型是在新產(chǎn)品研制過程中一項有效的可靠性設(shè)計新技術(shù)，它有助于定量地對新產(chǎn)品可靠性水平作出估計，監(jiān)控產(chǎn)品研制進展情況，并確定出產(chǎn)品投產(chǎn)時的可靠性水平。第一節(jié)可靠性設(shè)計的原則（續(xù)）第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子產(chǎn)品的“硬件”故障，大部分直接以元器件的各種故障方式表現(xiàn)出來。其故障原因，并非都是元器件本身的缺陷，有不少是選用不當造成的。例如在電路設(shè)計時元器件的工作應(yīng)力超過產(chǎn)品的額定值，或是對元器件失效機理不清楚，用于不適當?shù)沫h(huán)境條件等等。

因此元器件的選用及篩選成為電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一。為了保證元器件的使用可靠度，合理地進行降額使用元器件，可大幅度地降低元器件的失效率，因此降額設(shè)計已成為電子產(chǎn)品可靠性保障設(shè)計的最有效的方法之一。一、可靠性篩選

篩選是一種用于剔除不符合要求產(chǎn)品的挑選技術(shù)。可靠性篩選是在一批產(chǎn)品中剔除那些由于原材料、工藝制造等潛在的不良因素所造成的缺陷而早期失效的產(chǎn)品。在篩選以前，產(chǎn)品的參數(shù)性能一般都是合格的，只有對產(chǎn)品施加各種應(yīng)力條件或采用特殊的檢查手段后，才能發(fā)現(xiàn)有隱患的早期失效產(chǎn)品。一批產(chǎn)品，由于通過篩選剔除了早期失效的產(chǎn)品，就可以提高該批產(chǎn)品的可靠性水平。失效率可以降低半個到一個數(shù)量級，個別的甚至可以降低兩個數(shù)量級。第二節(jié)元器件的篩選與降額設(shè)計第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如，某工廠生產(chǎn)的二極管，在加大功率的條件下進行試驗，試驗時間與失效率的數(shù)據(jù)列入下表：

由表中數(shù)據(jù)可以看出，從0.1h到10h進行加大功率時的可靠性篩選以后，其失效率下降1.200/0.004＝300倍，即從原來的6級下降到8級。

對于電子元器件，其失效機理是產(chǎn)品本身具有的固有特性，當產(chǎn)品生產(chǎn)后，它的失效機理就完全確定了，而可靠性篩選不能改變其失效機理。所以，可靠性篩選不能提高單個元件的可靠性，只有當一批產(chǎn)品的早期失效產(chǎn)品被剔除后，才能提高該批產(chǎn)品的可靠性水平。同時要求，在整批產(chǎn)品的特性上，可靠性篩選不該影響其失效機理、失效模式和正常工作，因此篩選試驗應(yīng)力對優(yōu)良產(chǎn)品的損傷要盡可能的小。第二節(jié)元器件的篩選與降額設(shè)計(續(xù))第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

篩選方法種類較多，按其方法復(fù)雜程度可分類如下。

(1)分布截尾篩選。對產(chǎn)品參數(shù)性能的篩選。

(2)應(yīng)力強度篩選。對產(chǎn)品施加一定強度的應(yīng)力后進行測量評定分選。

(3)老煉篩選。在規(guī)定的時間內(nèi)對產(chǎn)品施加各種應(yīng)力條件后進行測試挑選。例如采用高溫老煉篩選、功率老煉篩選及離心老煉篩選等。

(4)線性鑒別篩選。采用適當檢查手段及篩選項目進行試驗，獲得數(shù)據(jù)，運用數(shù)理統(tǒng)計方法進行判別挑選。

(5)精密篩選。在接近產(chǎn)品的使用條件下進行長期老煉，并多次精確地測量參數(shù)的變化量進行挑選和預(yù)測。前兩種方法簡單易行，但對剔除早期失效產(chǎn)品的效果較差；后兩種方法需要專門的設(shè)備和較長的時間，費用較高，但對剔除早期失效產(chǎn)品的效果較好。通常要根據(jù)產(chǎn)品的使用要求、質(zhì)量水平及費用等情況合理地選擇篩選方法。第二節(jié)元器件的篩選與降額設(shè)計(續(xù))第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前老煉篩選是可靠性篩選的主要方法，精密篩選由于費用高、周期長、通常用于高可靠性的元器件篩選，如衛(wèi)星元件、軍工產(chǎn)品及海底電纜通信元件等。例如，半導體集成電路的典型篩選程序是：①高溫老煉儲存：1500C～1750C，96h。②離心老煉．20000g，lmin③高溫功率老煉：1250C，96h，在額定電壓、額定負載下動態(tài)老煉。第二節(jié)元器件的篩選與降額設(shè)計(續(xù))第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、降額設(shè)計

1．減額設(shè)計的理論依據(jù)

電子元器件在使用或貯存過程中，總是存在著某種比較緩慢的物理化學變化。當這一物理化學變化過程發(fā)展一定階段時，元器件的特性退化、功能喪失，即失效。例如：半導體器件---上述物化作用形成導電溝道時，使器件反向漏電電流變大，擊穿電壓下降；器件表面復(fù)合速度變大，晶體管的電流放大系數(shù)降低等等。物化過程與溫度有密切關(guān)系，當溫度升高以后，這些物理變化過程大大加快，器件的失效過程被加速。在我國電子工業(yè)部頒發(fā)的《電子設(shè)備可靠性預(yù)測手冊》中繪制了電子元器件降額曲線。

對于不同的元件，降額的方法是不一樣的，電阻器的降額方法是降低功率比，電容器是降低其工作電壓，半導體器件的降額方法是將工作功耗保持在額定功耗之內(nèi)，數(shù)字集成電路通過降低周圍環(huán)境溫度和電荷來降額，線性集成電路、大規(guī)模集成電路和半導體存貯器也是通過降低周圍環(huán)境溫度來實現(xiàn)降額的，軸承則以負荷比為降額系數(shù)。第二節(jié)元器件的篩選與降額設(shè)計(續(xù))第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2．降額原則

主要考慮三個問題：一是降額從怎樣的溫度、電應(yīng)力值開始；二是降額多少為合適；三是降額的效果。

(1)降額區(qū)域

一般元器件規(guī)范中都附有溫度、電應(yīng)力的降額曲線。對于不同類型的元器件，電應(yīng)力可以是電壓、電流或功率等。降額的第一步是使用降額曲線，曲線內(nèi)的區(qū)域為允許工作區(qū)，曲線本身又由兩部分組成（圖3）。第二節(jié)元器件的篩選與降額設(shè)計(續(xù))第21頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

與T軸平行的AB段表示當工作環(huán)境溫度低于TS時，器件可滿載使用。BC段表示溫度高于TS后需要遵循的降額率曲線。溫度達Tmax后，由于管芯已達最高結(jié)溫，所以允許負荷的值只能為零。這條ABC曲線表示要保證元器件正常工作所允許的最大電應(yīng)力與環(huán)境溫度之間的函數(shù)關(guān)系。我們要討論旨在提高設(shè)備可靠性的降額，就必須是在曲線ABC內(nèi)的區(qū)域，可將ABC曲線作為降額開始的基準線。

(2)降額圖一般用降額圖來表示元器件可取的降額值范圍。圖4就是典型的半導體器件的降額圖。圖中分三個區(qū)域：

R：禁用區(qū)域---在這一區(qū)域內(nèi)，元器件應(yīng)力超過其額定值，不能使用。這一區(qū)域界線就是上面所說的降額曲線。第二節(jié)元器件的篩選與降額設(shè)計(續(xù))第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

Q：有問題區(qū)域——在這一區(qū)域內(nèi)，元器件在其額定值內(nèi)工作，但不可能獲得足夠的可靠性值。在該區(qū)內(nèi)長期使用，元器件可靠性會降低。電路設(shè)計時，盡量不要選用。該區(qū)實在不能避開時，設(shè)計者應(yīng)十分謹慎。

A：合格使用區(qū)——可靠性與費用之比是最佳的區(qū)域，可提供最佳安全系數(shù)。元器件在這一區(qū)域內(nèi)使用，預(yù)計不會產(chǎn)生可靠性退化。第二節(jié)元器件的篩選與降額設(shè)計(續(xù))第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如，對于電子元器件的老煉，溫度相差100C，則壽命相差l/2—1/1.5倍。

3．降額設(shè)計的局限性元器件的降額使用并不是降額越多越好，因為降低元器件電負荷過多，將會增加設(shè)備的體積、重量及成本；而且也不是任何情況下都能有效的，這是因為

(1)當可靠性已達到要求時，再用降額來繼續(xù)提高可靠性就多余了。同一設(shè)備中的各種元器件可靠性水平要協(xié)調(diào)。對其中某些元器件大幅度的降額，使其可靠性遠離于其它元器件，這種降額也是不必要的。

(2)單純用降額來提高可靠性是有限度的。因為無論是溫度應(yīng)力還是電應(yīng)力，降額到一定程度后，這時即使再大幅度的降額，失效率也只有微小下降。第二節(jié)元器件的篩選與降額設(shè)計(續(xù))第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)對于有些元器件過度降額反而有害。如大功率晶體管在小電流下工作，將大大降低放大系數(shù)且參數(shù)穩(wěn)定性也下降。

例如：有的元件降額容易發(fā)生低電平失效，如聚苯乙烯電容CL10、滌綸電容CLll和漆膜電容CQ10、CQ20等。對于電子管的燈絲電壓和繼電器的線包電流不僅不能降額，反而要控制在額定值上，否則將直接影響壽命和可靠的接觸。

(4)電應(yīng)力的降額比較容易做到，對溫度應(yīng)力的控制主要靠改進熱設(shè)計。

(5)采用降額技術(shù)來提高可靠性，還要講效益，即降額程度的取值需綜合考慮可靠性指標要求及重量、體積、成本的限制。如果單靠降額來提高可靠性其綜合效益不高時，就應(yīng)采取改進設(shè)計，提高元器件強度等手段來提高可靠性。第二節(jié)元器件的篩選與降額設(shè)計(續(xù))第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

儀器儀表同其他電子設(shè)備一樣，其性能指標最終取決于它的元器件性能參數(shù)，而元器件的性能參數(shù)由于制造公差、環(huán)境條件和退化效應(yīng)存在著漂移特性。這使得初期工作性能好的儀器儀表隨環(huán)境變化、時間積累漸變?yōu)槭顟B(tài)，這種失效稱作漂移失效。設(shè)計者的任務(wù)就是在元器件參數(shù)波動時，仍能保證儀器儀表正常工作。這一設(shè)計技術(shù)稱作漂移設(shè)計或允差分析技術(shù)。

一、元器件的漂移特性及其對系統(tǒng)性能的影響儀器儀表性能的漂移失效一般有以下三個原因：

一是組成系統(tǒng)的元器件參數(shù)通常是以標稱值表示的。其與實際數(shù)值之間存在著公差，例如標稱1000Ω精度為±10%的電阻，其實際阻值在900～1100Ω之間，機械零件的加工精度也有公差。忽略公差，系統(tǒng)性能參數(shù)可能超出允許范圍，發(fā)生參數(shù)偏移，機械傳動可能卡死或過于松動。由制造公差造成的參數(shù)偏移一般呈正態(tài)分布。

第三節(jié)漂移設(shè)計第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

二是環(huán)境條件。例如溫度的變化會使機械零件膨脹或收縮，彈性模量不穩(wěn)定，使電子元器件參數(shù)發(fā)生溫漂。表6—1示出了國產(chǎn)取TX碳膜電阻的溫度系數(shù)。表6—2示出了滌綸、鋁電解電容和鈮電容在各種環(huán)境下的變化量。

第三節(jié)漂移設(shè)計（續(xù)）第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

環(huán)境條件產(chǎn)生的參數(shù)偏移在許多情況下是可逆的，即隨著條件而改變。呈現(xiàn)系統(tǒng)性能不穩(wěn)定。三是退化效應(yīng)。如腐蝕和氧化，漏電和絕緣擊穿，表面上金屬離子的遷移，磨損和疲勞以及塑料的收縮和開裂，使元器件參數(shù)隨時間而緩慢變化。

退化效應(yīng)引起的參數(shù)偏移是不可逆的。圖5說明元器件受溫度、濕度、負荷等影響，其均值和標準偏差隨時間發(fā)生緩慢變化。一個元器件特性值的漂移對系統(tǒng)性能的影響可用圖6表示。漂移通過相應(yīng)的傳遞函數(shù)，轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)性能參數(shù)標稱值和分布特性的變化。當系統(tǒng)性能參數(shù)超出規(guī)定的指標范圍時，系統(tǒng)呈性能故障狀態(tài)。多個元器件特性值的漂移對系統(tǒng)性能的影響可用多元函數(shù)來描述。函數(shù)y與一些參數(shù)間可能存在正的對應(yīng)關(guān)系，與另一些參數(shù)間可能存在負的對應(yīng)關(guān)系。一組參數(shù)性能的組合使y的變化范圍超出了規(guī)定的公差范圍，呈現(xiàn)漂移故障。

第三節(jié)漂移設(shè)計（續(xù)）第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、漂移可靠性設(shè)計方法

漂移可靠性設(shè)計可分為控制元器件質(zhì)量法與容差電路設(shè)計法。前者對元器件用料及工藝過程進行嚴格的控制，以提高元器件制造質(zhì)量來減少漂移對系統(tǒng)的影響。而后者是從電路和系統(tǒng)設(shè)計角度出發(fā)，允許所用器件的參數(shù)在較大范圍內(nèi)變化。在實際應(yīng)用中，常以下列三種方法設(shè)計電路：

一是利用反饋技術(shù)，抑制元件參數(shù)變化給電路帶來的影響，這屬于線路設(shè)計技術(shù)；

二是利用補償技術(shù)，互相抵消由不穩(wěn)定因素引起的參數(shù)變化。如用陶瓷作電介材料的特種小型電容器可有幾種不同的正或負溫度系數(shù)，在需要電容值固定不變的地方，把這些電容器和其他電容組合起來，就可得到總溫度系數(shù)很小的、任何容量的組合電容。第三種方法是漂移可靠性設(shè)計法，簡稱漂移設(shè)計。下面以常用的最壞情況設(shè)計法為例加以介紹。

第三節(jié)漂移設(shè)計（續(xù)）第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

在電子設(shè)備中，功率損失通常以熱能耗散的形式表現(xiàn)，而任何具有電阻的元件都是一個內(nèi)部熱源。當電子設(shè)備工作時，本身溫度會升高。同時，設(shè)備周圍的環(huán)境溫度亦會影響設(shè)備內(nèi)部溫度。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的熱設(shè)計越來越受到重視。由經(jīng)驗可知，室溫每提高100C，壽命就縮短1/2—1/1.5。這就是常說的壽命與溫度存在著“100C法則”，所以熱設(shè)計是電子設(shè)備可靠性保障設(shè)計的主要方法之一。電子設(shè)備的熱設(shè)計技術(shù)是針對熱量的傳播方式，研究多種控制熱量的方法，以達到減少溫升，來保證電子設(shè)備的可靠性。電子設(shè)備熱設(shè)計的要求如下：

(1)通過熱設(shè)計可達到在滿足性能要求的條件下，盡可能減少儀器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。

(2)通過熱設(shè)計減少熱阻。

(3)熱設(shè)計能保證設(shè)備和元器件能在較低的慍度條件下工作；以便作到減少參數(shù)漂移，保持電氣性能穩(wěn)定，從而提高可靠性。

第四節(jié)熱設(shè)計第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

由熱力學第二定律可知，只要有溫度存在，熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體。熱能傳輸有導熱、熱對流、熱輻射三種基本形式，其原理及在工程中的應(yīng)用分述如下。一、導熱原理及熱設(shè)計中的應(yīng)用

導熱是指直接接觸的物體各部分熱能交換的現(xiàn)象。在液體和介電質(zhì)固體中，熱能的傳輸主要靠分子運動彈性波的作用，在金屬內(nèi)部則主要靠自由電子的運動；在氣體中依靠分子和原子的擴散。

1．導熱基本定律導熱的基本定律是：在純導熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)由導熱所傳遞的熱量Qk(w)與材料兩端的溫差ΔT(oC)及垂直于導熱方向的截面積S(cm2)成正比，與導熱的路徑長度l(cm)成反比，與材料的導熱系數(shù)λ(W／cm·oC)成正比，即：(13)第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)導熱系數(shù)λ。導熱系數(shù)λ是表示物體導熱能力的物理量，其物理意義是單位時間內(nèi)通過單位長度溫度降低10C時所傳遞的熱量。表3列出了不同材料在攝氏200C時的導熱系數(shù)。

表3有關(guān)材料在200C時的導熱系λ(W／cm·oC)第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)熱阻如果把導熱過程模擬成導電過程，則熱路歐姆定律為

（14）式中，ΔT和Qk的定義和單位與式(13)相同，熱阻RT的單位為0C/W。對于橫截面為S，長為L的棒料，其熱阻RT＝L/Sλ。

2．傳導散熱的主要措施（熱設(shè)計）對于安裝密度高的電子設(shè)備，對流和輻射換熱都比較困難。傳導散熱就成了散熱的主要手段。其主要措施有；

(1)選用導熱系數(shù)大的材料制造傳熱零件，例如銀、紫銅等。

(2)由于導熱是兩種不同溫度的物體相互接觸時產(chǎn)生的，因此，必須注意接觸熱阻。接觸狀態(tài)決定了導熱過程。一般認為接觸熱阻與接觸壓強大小、表面加工狀態(tài)、清潔程度、材料性質(zhì)和接觸面積的大小有關(guān)。其中以接觸壓力影響最大。第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

接觸不良的干面間存在著空氣隙，導致熱流線在接觸處發(fā)生收縮，致使溫度發(fā)生突變，出現(xiàn)接觸熱阻劇增。因此，必須增大接觸壓力，降低接觸面粗糙度、提高清潔度來保證接觸良好?；蛟诮佑|面間涂硅脂，或在接觸面間墊入軟的可展性導熱材料。涂導熱硅脂，接觸熱阻可降低25～35%，墊入鉛箔，熱阻約降低20~45％；若半導體器件與散熱器之間要求小電容時，可采用氧化鈹墊片。

(3)盡量縮短熱傳導的路徑，且在熱傳導路徑中不應(yīng)有絕熱或隔熱元件。因為發(fā)熱的電子元器件的功耗主要通過引線的熱傳導傳出。因此，必須使引線盡可能縮短，以減小底板和發(fā)熱元件的溫差。第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．傳導散熱的設(shè)計舉例

(1）功率晶體管的熱設(shè)計。

大功率晶體管是熱設(shè)計中的重點元件，對于它單靠引線及管殼本身散熱已不能滿足要求，而必須借助散熱器，我們可以畫出帶散熱器功率管的熱路圖，見圖9。

第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))圖9功率晶體管熱路圖第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖中，QT是晶體管工作時結(jié)散發(fā)的熱量，對應(yīng)于集電極耗散功率，RTj是結(jié)到管殼的內(nèi)部熱阻，RTC是管殼到散熱器的熱阻，RTf是散熱器到空氣的熱阻，Tc為管子殼溫，Tf為散熱器溫度，Ta是環(huán)境溫度，RTp是管殼到空氣的熱阻。因為管殼直接散到空氣的熱量遠比經(jīng)散熱器散到空氣的熱量小，即RTp》(RTc+RTf)。所以RTp可以忽略不考慮。根據(jù)傳導方程得出晶體管的結(jié)與環(huán)境空氣之間的溫差公式

當已知集電極耗散功率Pc后，可用下面關(guān)系式求出各個熱阻第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

已知限制晶體管最大耗散功率Pcmax的主要因素是總熱阻、最高允許結(jié)溫Tjmax和環(huán)境溫度。在熱設(shè)計時，保證晶體管的可靠性及使用壽命，必須滿足Pc<Pcmax，即Tj<Tjmax。為了保證這一點，在選定晶體管以后，按照下面方法計算選用散熱器。先由管型查手冊得到Pcmax

，Tjmax

和安裝孔型，根據(jù)使用要求，如管殼和散熱器是否要絕緣等，選定接觸電阻，再根據(jù)要求的環(huán)境溫度Ta和使用功率Pc求出RTf或ΔTfd。

由散熱器特性曲線(ΔTfd

~Pc，RTf

～Pc)，查出相應(yīng)Pc點的RTf或ΔTfd

，若查出的RTf或ΔTfd值小于計算值，則滿足要求。在選擇和安裝散熱器時應(yīng)注意；

①保證散熱前提下，盡量選用體積小、重量輕的散熱器。②安裝時要減小接觸電阻。方法包括：除盡量增大接觸面積、壓力、光潔度外，表面涂硅脂其接觸熱阻約降低(22～35)％；當接觸處不能接觸良好時，墊入銅箔其熱阻可降低(20~45)％。第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

③散熱器表面應(yīng)粗糙，涂黑色，以加強輻射散熱效果。④當晶體管和外殼要絕緣時，不應(yīng)采用管殼下墊絕緣片的辦法，而采用散熱器和機架絕緣的方法。

(2)印刷電路板的熱設(shè)計

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，大量使用的集成電路，必然向小型化提高安裝密度的方向發(fā)展，從而使印刷電路板的發(fā)熱密度變高，如何有效地將印刷電路板上的熱引導到外部就是熱設(shè)計問題。印刷電路板上的布線可以分為電源線、接地線和信號線，其中以電源線和接地線流過的電流較大。熱設(shè)計應(yīng)該考慮保證導線的載流容量，線的寬度必須適合電流的傳導，不致引起超過允許的溫升和壓降。

印制板上的電子元器件，主要依靠導熱提供一條從元器件至印制板經(jīng)導軌到機殼側(cè)壁的冷卻傳熱路徑，再由側(cè)壁傳至周圍環(huán)境或機箱的冷板散熱通道。第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前常用的方法是采用散熱印制板(在印制板上附一薄的金屬層一導熱條或?qū)岚?，如圖10所示。把元件粘接到印制板的導熱條或?qū)岚迳?電氣絕緣)，可減小導熱熱阻。由于大規(guī)模集成電路、雙列直插式集成電路的引線較多，幾乎有一半的熱量是通過引線傳給導熱條(板)的，引線孔應(yīng)用金屬化涂覆孔，以提高導熱能力。元件安裝方向應(yīng)符合冷卻氣流流動特性，應(yīng)沿其氣流流動的縱向放置。同一塊印制板上的電子元器件，應(yīng)按發(fā)熱量大小及耐熱程度，分區(qū)放置。不耐熱的元器件放在冷氣流的入口處，耐熱性能好的元件放在出口處。第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))圖10導熱條與導熱板結(jié)構(gòu)第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱對流原理及其應(yīng)用

熱對流是依靠發(fā)熱物體周圍介質(zhì)的流動轉(zhuǎn)移熱量的過程。熱對流可分為自然對流和強迫對流兩種類型。

自然對流是由冷、熱流體的密度差不同而引起的流動，強迫對流是依靠外力造成的流體內(nèi)壓力不同而引起的流動。

在自然對流中，受熱區(qū)的流體由于分子內(nèi)能增加而減小其密度，使受熱流體上升，溫度較低的流體就要置換到它原來的位置，形成了由溫度差而引起的自然對流過程。在這個過程中，既有流體本身的熱交換，又有流體與固體之間的熱交換。自然對流的強度取決于流體的溫差、種類及對流過程所處的空間位置。

在強迫對流中，通常借助風機的作用迫使流體運動，使流體高速度地掠過受熱物體表面，以加強對流作用，其強度與外力在流體內(nèi)所造成的壓差、流體的種類、溫差及流道的結(jié)構(gòu)形狀等有關(guān)。第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、對流換熱的牛頓方程式

牛頓方程式告訴我們，對流換熱過程中所傳遞的熱量Qc(w)與不同幾何形狀物體的換熱系數(shù)α(w／cm2.0C)、固體壁面的換熱面積S(cm2)及固體壁面與冷卻流體介質(zhì)間的溫差ΔT(℃)成正比，即

(15)

從上式可見，牛頓方程中把影響對流換熱的復(fù)雜因素歸結(jié)為求解換熱系數(shù)α的問題。

（1)換熱系數(shù)α

。

換熱系數(shù)α表示單位面積在溫差為I0C時所傳遞的熱量，可由實驗確定，單位為(W／cm2.oC)。

(2)自然對流。

對于自然對流，牛頓方程可以用下式表示(16)第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中:C是常數(shù)，由物體壁面方向及形狀決定(cm)；L是特征長度，由物體壁面方向及形狀決定(cm)；S是物體表面面積(cm2）；ΔT是物體壁面與空氣流體之間的溫差(oC)。

·

(3)強迫對流

在強迫對流的熱交換過程中，系統(tǒng)內(nèi)每一點的氣流模型是很復(fù)雜的，有層流、紊流，或兼而有之。一般是直接用式(16)來計算換熱能量。

2．對流散熱的主要設(shè)計方法

(1)自然對流散熱設(shè)計①必須有足夠的空間使熱空氣自由流動

實踐證明，當兩元件之間距離太小時，自然對流就將停止。當間隔小于3.81cm時，自然對流換熱系數(shù)減低，當間隔減小到0.32cm時，自然對流幾乎停止。因此，在排列元件和印刷板時應(yīng)考慮到這個問題。第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))

②在安排元件時應(yīng)充分注意到溫度場的合理分布一般來說溫度場分布應(yīng)均勻，不得過于集中，電子設(shè)備的熱分布應(yīng)該遵循“頭熱足寒”的原則。都必須將耐高溫的元器件安排在上部。，而將抗高溫能力差的元器件放在底部。

③最大限度地利用設(shè)備外殼作散熱器進行散熱如把發(fā)熱很大的元件直接安裝在殼體上；發(fā)熱元件要按發(fā)熱量大小，由上至下順序安裝，盡量防止出現(xiàn)局部高溫。

④在機箱外殼的適當位置上開孔孔應(yīng)盡量開在側(cè)面，同時根據(jù)機內(nèi)溫度的差異，在靠近溫度高的部位多開孔。開孔面積大小與機箱內(nèi)部耗散功率P有關(guān)：一般估計P<70W時，無需采取任何措施；當P>70W時則要在機箱頂部或側(cè)壁上開孔；當P>>IOOW時，則需要采取強迫風冷措施。一般情況下，當T2-T1<350C時，機箱開孔總面積S由下列參考公式求得：第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中,P—通風孔對流散熱功率；P＝(P2-P1)w/R；ρ—機箱內(nèi)空氣密度；ρ=354/(T2+273)kg／m3；T2—機箱內(nèi)空氣溫度oC；T1——機箱外空氣溫度0C；R—對流熱阻oC／W。設(shè)計對流散熱時，盡可能采取垂直通道，以提高對流散熱效率，如圖11所示。

第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))圖11機盒、機柜的自然對流第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)強制對流

強制對流是指借助于風機(或泵)等迫使流體與較高溫度的物體表面進行熱量交換。這種方法在許多電子儀器設(shè)備中應(yīng)用很廣。下面介紹強制風冷時要考慮的二個問題。

強制風冷風機的選擇:

強制風冷就是采用風機來達到散熱的目的。因此，如何選擇一種合適的風機是很重要的。在選擇風機時要考慮到風機尺寸、重量、功耗、壽命以及噪聲等。選擇風機的步驟大致如下：①首先要估算由功耗而引起的溫升，②為了保持規(guī)定溫升范圍，估計所需要的氣流量，根據(jù)簡單的熱平衡關(guān)系，氣流流過發(fā)熱表面帶走熱量后的溫升為:(17)

式中；P—元器件的功耗(W),Qf—空氣流量(m3／min)第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

對一般電子儀器設(shè)備，其溫升ΔT應(yīng)控制在10~140C，因此利用式(17)可算出Qf值，而實際風量應(yīng)為計算值的2～4倍。③氣流通過散熱裝置所必須克服的壓力損失可用下式表示

(18)

式中,hs—沿程阻力；hd—局部阻力；hc—設(shè)備冷卻部分的附加損失(一般按經(jīng)驗選取后，加大15～20％)。④根據(jù)求得的Qf和ΔP值來選擇相應(yīng)的風機。電子設(shè)備中常用的風機有二種：一是離心式風機，其特點是靜壓高，流量低，多用于阻力較大的電子器件的冷卻，另一種是軸流式風機，其特點是氣流進出方向與軸向平行，靜壓低，流量大。這兩類風機的有關(guān)數(shù)據(jù)都有資料可查。第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、輻射換熱原理與應(yīng)用

發(fā)熱源可以通過輻射將自身的熱量散發(fā)掉，這是由于發(fā)熱體能將熱轉(zhuǎn)化為電磁波，以熱射線的形式向外輻射。熱射線的輻射速度與光速相等。熱射線可以通過真空、氣體及其他物體，與光通過物體一樣產(chǎn)生反射、折射、透射和吸收。輻射能量的大小與發(fā)熱體表面的溫度、形狀，表面粗糙度、材料、涂覆層材料、顏色、輻射波長等條件有關(guān)。輻射能力常以輻射率表示。發(fā)熱物體的最大輻射能力是指將熱量全部轉(zhuǎn)化為熱射線輻射出去，此時e≈1，一個物體吸收熱射線的能力常以吸收率α表示。一個物體不僅在不斷地輻射能量，而且還在不斷地吸收能量。在可見光的照射下，黑漆的輻射率和吸收率接近相等，近似為1。而白漆的輻射率比吸收率高600倍。第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．輻射定律

斯蒂芬——波爾茲曼定律告訴我們，若兩個物體的表面溫度分別為T1和T2，溫度高的物體向溫度低的物體輻射熱量，此熱量可通過下式計算:(19)

式中：T1—高溫物體溫度(K=0C+273)；T2--低溫物體溫度(K＝0C+273)；Q—輻射出的熱量(cal/s)；e—輻射系數(shù)(無量綱)；

f—視野系數(shù)(無量綱，宇宙深空f＝1)；A—高溫物體表面積(cm2)，σ—斯特芬——波爾茲曼常數(shù),=1.355X10—13(cal／s·cm2．K4。兩物體表面溫度相同時，根據(jù)公式(19)，傳遞的熱量為零。參數(shù)f、e、A之積很小時，射傳遞的熱量也很小。不同外形的兩物體表面輻射系數(shù)不同時，計算方法列入表4中。第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))表4不同外形的兩物體的輻射系數(shù)第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．提高熱輻射的主要措施

（1）發(fā)熱物體的表面越粗糙，熱輻射的能力也越強。

一般常將發(fā)熱元器件外的屏蔽罩殼涂有色漆，散熱片表面涂黑色或有色粗糙漆。對熱敏感元件，其表面常做成光亮白色，以減少吸收輻射熱。對玻璃外殼的電子管，其輻射系數(shù)近似黑漆的輻射系數(shù)，一般不涂漆。

(2)加大輻射體與周圍環(huán)境的溫差。

(3)加大輻射體的表面面積第四節(jié)熱設(shè)計(續(xù))第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

工業(yè)儀表電磁兼容性是儀表的一個十分重要的指標。它包括個方面的含義：

一是指儀表內(nèi)部各部分之間(包括電路、元器件、導線和機械構(gòu)件等)，在電和磁的條件下相互兼顧和相容的能力；

二是指儀表和環(huán)境之間(包括周圍的電子設(shè)備、電氣設(shè)備、雷電等)，在電和磁的條件下，互相兼顧和相容的能力，這便是通常所謂的電子電路的電磁兼容性設(shè)計。

電磁干擾通常又稱為噪聲，當噪聲達到一定幅值和一定強度，影響檢測儀表或控制系統(tǒng)正常工作的“噪聲”信號，被稱為干擾。干擾在滿足一定條件時可以消除，而噪聲在一般情況下難以消除，只能減弱。

噪聲形成干擾必需具備三個條件，即三要素。這三要素是：噪聲源、對噪聲敏感的接收電路、噪聲源到接收電路之間的耦合通道。三要素之間的聯(lián)系關(guān)系如圖12所示。第五節(jié)電磁兼容性設(shè)計第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖12噪聲形成干擾的三要素之間的聯(lián)系顯然，只要除去其中一個條件，電磁干擾就可以被除去，這正是電磁兼容性設(shè)計的基本出發(fā)點。一、噪聲源

噪聲源是多種多樣的，常見的噪聲源主要可歸納為三類。

1．固有噪聲源

固有噪聲源是指器件內(nèi)部物理性的無規(guī)則波動所形成的噪聲。它有熱噪聲、散粒噪聲和接觸噪聲等。

(1)熱噪聲

任何電阻即使不與電源相接，在它的兩端也存在著微弱的電壓。這種電壓是由于電阻中電子熱運動所形成的噪聲電壓。第五節(jié)電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于電子熱運動具有隨機性質(zhì)，所以電阻兩端的熱噪聲電壓也具有隨機性質(zhì)。而且它幾乎覆蓋整個頻譜。這種由于電子熱運動而出現(xiàn)在電阻兩端的噪聲電壓稱為熱噪聲。它決定了電路中噪聲的下限。熱噪聲電壓的有效值可表示為（20）式中k—波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38X10-23(J/K)；T--絕對溫度(K)；R—電阻值(Ω)；Δf—噪聲帶寬((Hz)。上式表明，熱噪聲電壓與絕對溫度、帶寬和電阻值的平方根成比例。因此，減少電阻值、帶寬和降低電阻的使用溫度有利于降低熱噪聲。例如,現(xiàn)有一高輸入阻抗放大器，輸入電阻R＝1MΩ

，帶寬Δf

＝500kHz，環(huán)境溫度T＝300K，它的熱噪聲電壓Ut為:

可見，若放大器輸入為微伏級信號，則它將被熱噪聲所淹沒。第五節(jié)電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

2)散粒噪聲

散粒噪聲存在于電子管和半導體兩種元件中。在電子管里，散粒噪聲來自陰極電子的隨機發(fā)射；在半導體內(nèi)，散粒噪聲是通過晶體管基區(qū)載流子的隨機擴散以及電子—空穴對的隨機發(fā)生及其復(fù)合形成的。散粒噪聲的方根噪聲電流為:(21)

式中,q—電子電荷，其值為1.6╳10-10(C)；Idc—平均直流電流(A)；Δf—噪聲帶寬(Hz)。

3)接觸噪聲

接觸噪聲是由兩種材料之間不完全接觸，從而形成電導率的起伏而產(chǎn)生的。它發(fā)生在兩個導體連接的地方，如繼電器的接點、電位器的滑動觸點等。平方根帶寬的噪聲電流If可近似地表示為

(22)

式中Idc—平均直流電流(A)；K—由材料和幾何形狀確定的常數(shù)；f—頻率(Hz)；B—用中心頻率f表示的帶寬((Hz)。第五節(jié)電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

由上式可見，接觸噪聲正比于頻率f平方根的倒數(shù)。因此，在低頻電路時，接觸噪聲是重要噪聲源。

2．人為干擾源

主要是指各種電氣設(shè)備所產(chǎn)生的干擾，主要有以下幾種。

(1)工頻干擾。

大功率輸電線是典型的工頻噪聲源。低電平的信號線只要有一段距離與輸電線平行，就會受到明顯的干擾，即使是一般室內(nèi)的交流電源線，對于輸入阻抗和靈敏度高的檢測儀表來說也是很大的干擾源。

(2)射頻干擾。

高頻感應(yīng)加熱、高頻焊接等工業(yè)電子設(shè)備以及電視、雷達等通過輻射或通過電源線會給附近的電子測量儀表帶來干擾。

(3)電子開關(guān)。

由于電子通斷的速度極快，使電路中的電壓和電流發(fā)生急劇的變化，形成沖擊脈沖，從而成為噪聲干擾源。第五節(jié)電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3、自然干擾源和放電干擾

自然干擾主要是指氣溫和天電等因素造成的干擾。天電形成的干擾，主要是指各種自然放電現(xiàn)象。放電現(xiàn)象的起因不僅是天電，還有各種電氣設(shè)備所造成的。主要的放電現(xiàn)象有：

(1)電暈放電。電暈放電主要來自高壓輸電線，具有間歇性質(zhì)，產(chǎn)生脈沖電流，而且隨著電暈放電過程還會出現(xiàn)高頻振蕩，這些都會形成干擾。

(2)火花放電。自然界的雷電，電機整流子炭刷上的電火花，接觸器、繼電器接點在閉合和斷開時的電火花，電加工過程中的電火花以及高壓器件由于絕緣不良引起的內(nèi)爍放電等都是火花放電干擾。火花放電噪聲可以通過直接輻射和電源電路向外傳播，它可以在低頻到高頻范圍內(nèi)造成干擾。

(3)放電管放電。放電管放電屬于輝光放電或弧光放電。通常放電管具有負阻特性，所以和外電路連接時很容易引起振蕩，此振蕩頻率可達很高，它將造成對附近電路的干擾。第五節(jié)電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、耦合方式

干擾源對電子設(shè)備的干擾是通過一定耦合形式進行的，無論是內(nèi)部干擾或外部干擾，都是通過“路”(傳輸線路或電路)或“場”(靜電場或交電磁場)耦合到被干擾設(shè)備中的?！奥贰钡母蓴_引入方式主要是公共阻抗耦合?！皥觥钡母蓴_引入方式有靜電耦合感應(yīng)，互感耦合感應(yīng)、輻射電磁場感應(yīng)等。

1．電場耦合一電容性耦合

兩根導線之間的電容性耦合。

2．磁場耦合一電感性耦合

在任意載流電路周圍空向中都會產(chǎn)生磁場。交變磁場則對其周圍閉合電路產(chǎn)生感生電勢。

3．共阻抗耦合

共阻抗耦合是由于電路之間有公共阻抗，當一個電路中有電流流過時，在公共阻抗上產(chǎn)生一個壓降UN。這一壓降UN對其它與公共阻抗相連的電路形成干擾電壓。這種干擾耦合形式主要產(chǎn)生于下述幾種情。第五節(jié)電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)電源內(nèi)阻抗的公共阻抗耦合干擾。

當用同一電源對幾個電子線路供電時，高電平電路的輸出電流流經(jīng)電源，從而通過電源內(nèi)阻抗變換成千擾電壓，造成對其它低電平電路的干擾。

(2)公共接地線的耦合干擾。

在電子裝置內(nèi)部的接地線上，有各種信號電路的電流流過，并由接地線阻抗變換成電壓，該電壓就成為有關(guān)的各部分電路的干擾電壓。對于多級放大電路來說，它實質(zhì)上也是—·種寄生反饋。在數(shù)臺電子裝置的公共線接地時，若此線流過較大電流，也會通過接地線阻抗產(chǎn)生共阻抗耦合干擾。

(3)信號輸出電路的相互干擾。

當電子裝置的信號輸出電路具有幾路負載時，則任一個負載的變化都會通過輸出阻抗的共阻抗耦合而影響其它輸出電路。

(4)漏電流耦合。

它是由于絕緣不良，由流經(jīng)絕緣電阻的漏電流所引起的噪聲干擾。第五節(jié)電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）第58頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

(5)輻射電磁場耦合。

輻射電磁場，通常來源于大功率高頻電氣設(shè)備、廣播發(fā)射臺；電視發(fā)射臺等。如果在輻射電磁場中放置一個導體，則在導體上產(chǎn)生正比于電場強度正的感應(yīng)電動勢。配電線特別是架空配電線都將在輻射電磁場中感應(yīng)出干擾電動勢，并通過供電線路侵入電子裝置，造成干擾。在大功率廣播