电子电路可靠性及抗干扰策略探究

2023-08-04赵松果

通信电源技术 2023年8期

关键词：抗干扰能力电子电路引线

赵松果

（石家庄银河微波技术股份有限公司，河北石家庄 050200）

0 引言

随着现代科技的发展，电子电路已经广泛应用于各个领域。在电子电路的设计和制造过程中，可靠性和抗干扰性是非常重要的考虑因素。本文旨在探讨提高电子电路可靠性和抗干扰能力的方法与技术，为电子电路的设计、制造以及应用提供一定的参考和指导。

1 提高电子电路可靠性的方法和技术

1.1 材料与工艺优化

（1）光刻技术：光刻技术是制造微型元器件和电路的关键工艺之一。通过在光刻胶上曝光并显影，可以在电子器件表面形成具有微米级别精度的图案和结构，用于制造集成电路及其他微型电子元件。

（2）蚀刻技术：蚀刻技术是制造电子器件和电路中的关键工艺之一。通过在制造过程中对薄膜或基板进行化学或物理蚀刻，可以形成具有精密结构和形状的电路与器件结构。

（3）离子注入技术：离子注入技术是制造半导体器件中的关键工艺之一。通过将离子注入到半导体器件表面或内部，可以调整器件的电学性能和性质，提高器件的性能和可靠性。

（4）焊接技术：焊接技术是电子电路制造中必不可少的技术之一。通过采用高温、高压和高能量的焊接方法，可以将电子元件、引线和基板等部件连接起来，形成电子电路。

（5）封装技术：封装技术是保护电子器件和电路的重要手段之一。通过将电子器件和电路封装在特定的封装材料中，可以保护电路免受外界环境和干扰的影响，提高电路的可靠性和稳定性[1]。

1.2 设计规范与验证

1.2.1 仿真分析

使用电路仿真软件（如LTspice、PSPICE 等）对电路进行仿真分析。在仿真分析中，通过调整电路参数，如电阻、电容、电感等，来评估电路的性能和稳定性。例如，可以通过在仿真软件中添加一个信号源和一个示波器，来模拟电路的输入和输出信号。然后通过改变输入信号的频率和幅值来评估电路的放大增益、带宽等性能指标。仿真分析可以提前发现电路中的潜在问题，并为电路设计提供优化建议。

1.2.2 实验测试

在实验测试中，可以搭建一个实际的电路，并使用测试仪器（如万用表、示波器等）来对电路的性能和稳定性进行评估。例如，搭建一个与电路图相同的实际电路，并使用信号发生器和示波器来模拟电路的输入与输出信号。然后通过改变输入信号的频率和幅值，来评估电路的放大增益、带宽等性能指标。实验测试可以验证仿真分析的结果，也可以发现仿真分析未能考虑到的问题[2]。

通过仿真分析和实验测试可以对电子电路进行全面的验证与评估，发现并解决潜在的问题，提高电路的可靠性。例如，在以上放大器电路的设计中，可能发现输入信号过大时，电路的放大增益会出现饱和现象，此时可以考虑添加一个反馈电路来解决该问题。通过设计规范和验证，可以提高电子电路设计的合理性和稳定性，保证电路的可靠性。在电子电路设计中，应该根据实际情况选用合适的设计规范和标准，并充分考虑设计验证的重要性。通过设计验证，可以提前发现并解决潜在的问题，为电子电路的设计和制造提供可靠的保障。

1.3 可靠性测试与故障分析

（1）加速寿命测试：通过对电子电路进行加速寿命测试，可以模拟长期使用和环境应力对电路的影响，评估电路的寿命和稳定性。加速寿命测试可以使用高温、高湿度、高电压等方法来加速电路的老化过程，以缩短测试时间。

（2）环境应力测试：通过对电子电路在不同环境条件下的测试，可以评估电路的稳定性和可靠性。例如，可以对电子电路进行高温、低温、高湿度、低湿度、高海拔等环境应力测试，以评估电路在各种极端环境下的表现[3]。

（3）电路故障测试：通过对电子电路的功能和性能进行测试，可以发现电路中的故障问题。例如，可以通过测试电路的输出信号，来评估电路的放大增益、带宽等性能指标，并发现电路中存在的故障。在发现故障后，需要对故障进行深入的分析和定位，并采取有效的措施进行修复。又例如，可以使用电子测试仪器（如万用表、示波器、频谱分析仪等）对电路进行深入分析，并利用电路图和元件手册来确定电路中故障元件的位置和特征。然后，可以采取相应的措施来修复故障，如更换故障元件、调整电路参数等。

1.4 反馈与改进机制

在电子电路的生产和应用过程中，需要建立健全的反馈和改进机制。对于生产过程中出现的问题和故障，需要及时反馈到设计与制造环节，并采取相应的措施进行改进。同时，也需要对电子电路的应用情况进行监测和反馈，以便优化电路的设计及应用性能。

2 电子电路抗干扰的技术方法和措施

2.1 屏蔽与隔离

屏蔽和隔离是提高电子电路抗干扰能力的有效手段。屏蔽可以通过金属壳体、屏蔽罩等方式来限制外部干扰的进入，而隔离则通过隔离器件和隔离放大器等方法来隔离干扰信号的传递。在设计电子电路时，应该根据具体情况采取适当的屏蔽和隔离措施，提高电路的抗干扰能力。例如，对于金属屏蔽，其抗干扰能力的有效性取决于屏蔽的材料、厚度和形状等参数。材料方面，应选择高导电性、低磁导率的金属材料，如铜、铝等。厚度方面，应该根据电路的工作频率和电磁波的波长等因素，选择合适的厚度。一般来说，金属屏蔽的厚度应大于电磁波的1/10 波长。形状方面，应该选择合适的形状与结构，以最大限度地降低电磁辐射和电磁波的进入。例如，对于手机设计来说，采用U 型金属天线的方式来限制外部电磁波的影响，同时在手机壳体上使用金属屏蔽来防止外部电磁波的进入。这些参数的优化可以显著提高电子电路的抗干扰能力。

具体而言，金属屏蔽的厚度是影响其抗干扰能力的一个重要因素。表1 列出了不同厚度的铝箔屏蔽在不同频率下的屏蔽效果。

表1 金属屏蔽的抗干扰能力与厚度的关系

从表1 可以看出，随着金属屏蔽的厚度增加，其在不同频率下的屏蔽效果也随之提高。一般来说，金属屏蔽的厚度应大于电磁波的1/10 波长。

不同形状的金属屏蔽对电子电路抗干扰能力的提高也有着显著影响。表2 列出了不同形状的金属屏蔽在不同频率下的屏蔽效果。

从表2 可以看出，U 型屏蔽在不同频率下的屏蔽效果要优于方形屏蔽和圆形屏蔽，这是因为U 型屏蔽在设计上能更好地防止外部电磁波的进入。

此外，在隔离设计方面，也有一些常用的方法和措施。例如，采用光电隔离器件可以有效地隔离干扰信号的传递，同时具有高速、高精度和高稳定性等优点，因此在数字电路、模拟电路和功率电子系统等领域得到广泛应用。同时还可以采用变压器隔离和差分信号传输等方法来隔离干扰信号的传递，提高电路的抗干扰能力。需要注意的是，在屏蔽和隔离设计方面，应该根据具体的应用环境和电路要求来选择合适的措施。例如，在一些高要求的应用场合，如航空、军事等领域，应该采用高性能的屏蔽和隔离措施来保证电路的稳定性与可靠性。在实际设计过程中，还应该进行详细的仿真分析和实验验证，以评估电路的抗干扰能力和性能，优化屏蔽和隔离设计的参数与措施。

2.2 接地与引线设计

良好的接地和引线设计是提高电子电路抗干扰能力的重要手段。以下是一些常见的接地和引线设计措施。

（1）接地设计：在电子电路设计中，应该采用良好的接地方式，防止地回路产生的干扰。对于多个地点的接地，应该使用星形接地方式，将多个地点的接地线汇聚在一起，避免形成多个地点的回路。对于高频电路，应该采用分离式接地，将信号地和电源地分离，避免信号地与电源地的回路产生的共模干扰。

（2）引线设计：在电路设计中，应该采用合适的引线方式，防止引线对电路产生影响。对于高频电路，应该采用短引线和低电感的引线方式，避免引线产生的电感和串扰对电路产生影响。对于低频电路，可以采用布线板或印刷电路板等方式，将电路元件和引线直接印刷在板上，避免引线的串扰和电感对电路产生影响。通过采用良好的接地和引线设计措施，可以有效降低电子电路的共模干扰和差模干扰，提高电路的抗干扰能力。不同引线的电感和长度比较如表3所示。

表3 引线的电感和长度比较

2.3 滤波与抑制

滤波和抑制是电子电路抗干扰的重要手段。滤波器可以通过滤除干扰信号的特定频段来保证电路的正常工作；而抑制器可以通过降低信号的幅度和提高信噪比来消除干扰。在设计电子电路时，应该根据具体情况采取适当的滤波和抑制措施，提高电路的抗干扰能力。不同类型滤波器的频率响应如表4 所示。

表4 不同类型滤波器的频率响应

2.4 增加冗余和备份机制

在电子电路设计中，增加冗余和备份机制是一种有效的方法，可以提高电路的可靠性和稳定性。这种方法的核心思想是通过增加多余的电路元件或备用回路，来保证电路在故障时仍能正常工作。

在增加冗余元件方面，可以采用多个电容、电阻、晶体管等元件，并将它们并联或串联在电路中。当某个元件出现故障时，可以自动切换到备用元件，确保电路的连续工作。同时，在设计中应该考虑元件的工作寿命，以便在元件寿命到期前及时更换。在增加备份回路方面，可以采用备用电源、备用控制器等方式，以确保电路在主回路出现故障时能够自动切换到备用回路，保证电路的连续工作。备份回路的设计应该考虑到主回路和备份回路之间的切换时间与切换过程中的信号传输，以确保电路的稳定性及可靠性[4]。

需要注意的是，在增加冗余和备份机制时，需要平衡成本和可靠性之间的关系，以确保电路的可行性与经济性。此外，还需要对冗余和备份回路进行定期检测及维护，以确保它们能够在需要时发挥作用[5]。