硬件電路設計中的電磁兼容等可靠性問題分析

在一般的使用條件下, 硬件電路設計中的可靠性問題并不突出,往往不引人注意。但在某些特殊的條件下,如高溫、重負荷等復雜惡劣電磁兼容條件下,設備往往出現一些意想不到的問題, 硬件電路設計中的可靠性問題突出起來，這其中的大部分情況又跟設備的供電處理情況密切相關。下面介紹幾例在實際項目中遇到的真實的案例并加以分析處理。

1.高溫下設備工作不正常甚至程序被破壞。

某型設備，冬天工作完全正常，可到了夏天，有一定比例的設備工作不正常甚至程序被破壞。這直觀明顯地跟工作溫度有關，可具體是哪個部分在高溫下不能正常工作呢？經過反復的高溫條件下測試，終于發現，當設備內部的溫度大于70℃時，FLASH存儲芯片的R/B管腳輸出了錯誤的信號導致的。

FLASH存儲芯片用R/B管腳的輸出高低電平來標示頁操作、擦除和隨機讀等操作的完成，平時R/B管腳為高電平狀態，但當FLASH存儲進行編程、隨機讀或擦除操作時變為低電平狀態，操作完成后又變為高電平狀態。R/B引腳為漏極開路驅動，因此需要接上拉電阻才能把R/B拉回高電平狀態。

FLASH存儲芯片R/B引腳端電路圖如下圖1所示：

圖1 FLASH存儲芯片R/B引腳端電路圖

圖1中RP為上拉電阻，電容CL的值為常量：對于供電電壓為3.3V， CL取值50pF，50pF的容值很小，由于芯片的引腳及印制板上存在分布電容，分布電容值與此相當，故芯片資料上介紹這個電容可以不接，事實上很多參考電路確實都沒有外接這個電容CL。但這只能在常溫工作條件下可以不接電容CL，當工作溫度升到70℃時，由于此管腳上分布電容的改變，必須接上這個50pF的電容才能正常工作！

R/B引腳的狀態圖如下圖2所示：圖中tf為高電平到低電平的下降時間，tr為低電平到高電平的上升時間。

圖2 R/B引腳的狀態圖

由圖2中可看出，對于3.3V工作的芯片，R/B引腳的高電平判決門限為：Voh=2.4V，低電平判決門限為：Vol=0.4V。

上拉電阻的工作示意如下圖3所示：

圖3 上拉電阻的工作示意圖

上拉電阻RP阻值選擇的要求是要滿足引腳電平的判決門限，即能把R/B引腳的低電平拉到0.4V以下，也能把高電平拉到2.4V以上，以滿足判決要求。RP不宜過小，同時RP不宜過大。RP不宜過小，一般不低于1KΩ。一般IO 端口的驅動能力在2mA～4mA量級。如果RP阻值過小，VCC灌入端口的電流將較大，這樣會導致MOS管不完全導通，由飽和狀態變成放大狀態，這樣端口輸出的低電平值增大,有可能大于0.4V,故通常上拉電阻應選取不低于1KΩ的電阻。同時RP不宜過大，一般不高于10KΩ。

由于端口輸出高電平是通過RP實現的，線上電平從低到高變化時，電源通過RP對線上負載電容CL充電，這需要一定的時間，即上升時間。端口信號的上升時間可近似用充電時間常數RP*CL乘積表示。Rp阻值的大小會影響到電平的上升沿時間tr，因為上拉電阻Rp與電容CL構成RC電路，存在RC延遲。電平上升沿時間tr與Rp阻值的關系如下圖4所示：

圖 5 芯片工作時序

在上圖5中，若R/B引腳的上升沿時間tr大于tRR（Ready to RE Low），則會影響信號速率，導致器件不能正常工作。此例中，就是未接電容CL，導致當工作溫度升到70℃時，R/B管腳輸出了錯誤的信號，影響到了信號的時序判決。

2.撥動電源選擇開關導致設備重啟

某型設備，可以使用兩種電源供電，一種是使用外部5V移動電源，另一種是外接-48V電源，通過設備內部的直流電源模塊轉成5V再給設備供電，這兩種供電方式通過一個電源選擇開關進行切換，見下圖6所示。在使用中，發現在撥動電源選擇開關時，偶爾會出現設備重啟的現象。經過分析處理，在電源選擇開關觸點上并接電容解決了這一偶發故障，見下圖7所示。那么電源開關上并聯一個電容起什么作用呢？

圖6 設備面板上的電源選擇開關

圖7 電源選擇開關原理圖

大家知道電容的特性是其兩端電壓不能突變。開關上接的電容用來就是用來消除開關瞬間的火花，防止對其他電器的干擾。電源開關在在接通和斷開時會產生火花.由其是感性負載會產生自感電動勢的情況，電容器的作用是為自感電動勢提供通路，它不僅消除了電火花的，而且延長了開關的使用壽命。

一般并聯的電容容量是0.1uF~0.22uF，電容耐壓值根據電源支路電壓值而定。

3.負載加重時出現死機

某型設備通過485總線組成系統，在這個485總線系統中，外部的節點都由主機供電，當在輕負載時（即外部485節點數較少），使用一切正常，可當加重負載到一定程度時（即外部485節點數較多），往往出現主機死機故障。經過分析處理，發現主機出現死機故障時，其內部的工作電壓都低于設備上芯片能正常工作的最小電壓。這個設備使用交流電源模塊，將外接的交流220V電壓轉換為直流48V后再供給內部各單元使用，后來加大這個交流電源模塊的外接濾波電容值到一定程度后，即使設備在重負載使用時，也不再出現死機故障了，見圖8所示。

圖8 交流電源模塊

原來在在系統電源中，電容相當于水桶，它存儲了一部分的電能，當電流要求高的時候，它會釋放電能，以補充電流的不足。所以如果這個電容的值比較小時，相當于后備能源也小，也就是說當某一時間的電流突然加大時，系統的電壓會被拉的很低，當這個電壓低于設備上芯片正常工作的最小電壓時，設備斷電，斷電后由于系統的電流要求又小了，電壓抬升，設備重新工作……如此反復，設備不斷的復位。因此電源模塊必須加足夠大的濾波電容，否則輸出電壓、電流會不穩定，輸出功率會下降很多，引起電源無法正常工作。同時模塊電源的輸出濾波電容器的容值也不能太大，輸出電容太大，又很可能會造成設備不能正常啟動。

在實際使用中，濾波電容器的大小要根據負載電流的大小來選擇。負載電流越大，電源濾波電容應該用得越大。一般可根據下表1的原則選擇：

表1 電源濾波電容值的選擇

另外，當電源電壓大于30V時，濾波電容值可適當減小。

4.網口工作不正常

有一網口，使用DM9161作為以太網的物理接口收發器PHY。使用中，出現一定比例的不良情況，具體來說，就是對于正常的情況，當網線插入網口后，即在調試界面出現“link up”，表示網口正常工作。對于不良的情況，則當網線插入網口后，即在調試界面先出現“link up”，緊接著出現“link down”，表示連接失敗，網口不通，如此循環反復見下圖9所示。

圖9 網口工作不正常的顯示

在電路設計中，原先RJ45網絡變壓器的中心抽頭接VCCA，而VCCA又是接DM9161芯片的1、2、9腳的，1、2、9腳是DM9161網口內部收發器的電源腳。在排除了其它原因后，最后發現把這3個電源腳接入外部的1.8V電源后，就可以解決上述問題。這個情況應該是DM9161芯片的1、2、9腳的供電不足引起的，見下圖10所示。