探究电子设备中监控系统硬件电路板的可靠性设计

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摘 要：在现阶段的技术条件支持下，任何一个电子装置或是设备所具备的功能往往是多种多样的。因此，在这部分装置设备的设计之初，设计者们就将其划分为了多个的系统与模块。随着功能模块数量的不断提升，以及相互之间交叉关系的不断紧密，要想保障电子设备能够实现对多种功能的成功应用以及灵活切换，就需要重点关注的监控系统的设计工作，使其能够发挥对各模块运行状态的持续监测与控制功能。为此，文章以监控系统设计中最核心的问题——硬件电路板设计作为研究对象，对于其可靠性设计的相关问题进行简单的阐述，以期为相关的研究工作提供更多依据。

关键词：监控系统；硬件电路板；可靠性

中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）06-0097-02

常规意义上的监控系统主要有硬件部分以及软件部分所构成。同时，在现阶段的实际工作当中，各种电子装置与设备监控系统所设置的电路板装配方式仍然以印刷电路板为主。在印刷电路板的作用之下，电路板负担着完成电子设备大量应用功能的工作任务。由此，不难发现，即便电路原理图能够保障设计的正确与有效，但由于印制电路板设计的误差，也势必会对整个电子设备应用的可靠性产生极为不利的影响。从这一角度上来说，电子设备监控系统中硬件电路板的可靠性设计是至关重要的工作内容之一，本文试对其作详细分析与说明。

1 监控系统硬件可靠性指标

在整个监控系统硬件当中，系统所对应的可靠性指标主要涉及以下几个方面：

①可靠度以及可靠度函数。可靠度指标主要是指产品在（0，t）时间范围之内不发生失效反应的概率，而可靠度函数则是建立在既定工作时间、产品故障前运行时间基础之上的函数关系。

②故障分布函数以及故障密度。故障分布函数主要是指产品在运行条件以及运行时间均表现为恒定状态下，丧失规定功能的总概率函数，而故障密度所指的则是在t时刻后的一个单位时间内，出现故障产品数与总产品数之间的对应比值。

③失效率函数。该指标主要是指在条件既定状态下，产品在某时刻后单位时间内出现失效的概率。

④平均寿命指标。对于不可修复的产品而言，该指标是指在产品发生故障之前所对应的工作时间。而对于可修复的产品而言，该指标是指在产品前一次发生故障与本次故障之间的工作时间间隔。

⑤指数分布指标。主要是其寿命的指数分布的服从特征。

2 监控系统硬件电路板的可靠性分析

对于监控系统而言，寿命是衡量硬件电路板可靠性的关键指标之一。在现阶段的可靠性工程当中，针对监控板而言，比较常见的寿命分布模式可以分为以下几种类型：二项分布、泊松分布、指数分布、正态分布、对数正态分布。由于监控系统当中的监控板主要是由相关电子元器件所构成的。结合有关电子器件的失效理论可以得出：绝大部分电子设备与装置的寿命分布呈现出明显的指数分布状态，针对于监控系统监控板而言同样如此。

结合上述分析，在有关监控系统可靠性框图的构建过程当中，需要结合监控板所运行任务的差异性做出相应的考量，主要可以分为以下两种情况：首先，从基本任务的角度上来说，整个监控系统所对应的可靠性框图最为核心的思想在于保障监控系统整体运行的正常与规范。在剔除各种运行故障的基础之上，确保监控系统功率输出的正常与有效。其次，从特殊任务的角度上来说，整个监控系统所对应的可靠性框图最核心的思想在于保障整个监控系统的不停机性。对于监控系统监控板而言，即便当中的一部分出现了运行故障，但仍然需要将整个系统的输出功率限制在一定的允许范围当中，可适当允许系统的运行功能有所降低，但需要最大限度的避免因无功率输出而引发的停运事故。

对于我国而言，现阶段针对电子设备所采取的可靠性计算方法可基本概括为：首先对相关电子元器件所对应的失效率数值加以判定，进而计算得出各个模块分别对应的失效率数值，最后将可靠性框图当中所涵盖的模块所对应失效率进行统计，由此获取最为精确与全面的可靠性数值。

对于监控系统硬件电路板而言，首先，在有关监控系统硬件电路板分立元器件可靠性的计算过程当中，电阻装置、电容设备、以及二极管装置均属于监控系统硬件电路板中分立元器件的组成部分。以电容装置为例，其在正常运行状态下所对应的工作失效率模型可按照如下方式进行构建，如式（1）：

失效率（单位：10-6/h）=基本失效率×环境系数×质量系数×电容量系数×串联电阻系数×种类系数 （1）

在该计算模型当中，相关的失效率及系数取值大小均可通过对电路板所处工作环境的判定，以及相关元器件在出厂状态下的理论参数来进行判定，最终可计算得出电容器所对应的工作失效率数值。

其次，在有关监控系统硬件各模块电路的可靠度计算过程当中，首先需要完成对各个模块当中所涵盖电路工作失效率数值的计算，进而将所计算得出的电路失效率数值进行汇总处理，得到的是相对于单独运行模块而言的失效率。在此基础之上，通过对可靠度计算公式的应用，即可计算得出监控系统硬件电路板当中相关模块的可靠度取值情况。

3 监控系统硬件电路板（PCB）设计检查要点与布

线原则

①根据电子学设计的边界条件（空间真空环境），对重点发热元器件在印制电路板的位置和发热等情况，建立数学模型，进行EDA仿真热分析，计算元器件、印制板的温度，检验元器件工作温度范围是否满足要求，检验元器件的结温是否满足降额要求；发热量大的元器件通过热管等散热器件将热量引出，元器件的散热途径（导热散热途径和辐射散热途径）是否通畅和连贯，同时，应尽可能使导热路径最短；对于热功耗大的元器件，应在器件下面与电路板接地部分设计热过孔，填充金属材料，实现热传导功能。

②一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保证电路板的电气性能。在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，它们的关系是：地线>电源线>信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3 mm，最细宽度可达0.05～0.07 mm，电源线一般为1.2～2.5 mm。

4 硬件电路板信号完整性设计

在监控系统硬件电路板设计的过程中，对于电路板信号的完整性设计也是影响其可靠性的关键因素，因此必须要注重电路板信号完整性的设计。其中应当遵循的准则包括以下几个方面：

①在进行正式的设计工作之前，必须要对所使用的元器件以及相关的工艺进行科学的选择，并且据此进行设计方案的确定，才能确保设计的科学性与合理性。

②预布线阶段是对电路板层叠误差和接地信号等问题进行处理的阶段，这一阶段主要是对各种可能出现的问题以及计算误差进行科学的处理，以此保证线路层叠的有效性。同时，尽可能让接地层与电源层成对布放，这样能够更加有效的保证信号的完整性。对于信号的完整性规划需要根据信号参数以及其必须的拓扑结构范围进行仿真模拟，才能从中找到最为理想的参数范围，并且将此范围作为布线的最终依据，成为PCB布线的主要约束条件。

③串扰是信号线之间不希望有的耦合，邻近信号线的耦合会导致串扰而且改变信号线的阻抗。我们必须减少串扰。比如我们可以根据相邻平行信号线的耦合分析来确定信号线间距或平行线长度。

④对于信号延迟以及其产生的影响是在布线时必须要充分考虑的关键问题，因此在实际的工作中，我们可以利用终端接线器的使用来对信号的完整性质量进行控制，从而有效的减少信号延迟所带来的不利影响。

⑤转换器是设计工作中常用的一种设备，转换器的转换速度越慢则信号完整性越好，同时利用不同的驱动技术也可以完成不同的转换任务，所以我们可以在设计过程中，利用新的可编程技术，充分利用不同驱动技术的优越性，使其作用能够充分发挥，以此来提升信号的完整性。

⑥当简单的布线以及装配工作完成之后，需要进行完整的电路板测试，将其测试结果与仿真结果进行对比，从中发现设计过程中存在的不足之处，以此作为依据，为后续的设计工作提供更充分的数据参考。

5 结 语

随着社会和经济的快速发展，集成电路和新型器件的应用也日渐广泛，从另一方面来说，这也使得电路板的设计日渐复杂，因此对于电路板设计的可靠性要求也越来越高。监控系统已经成为现代社会中必不可少的硬件设备，对于监控系统电路板的设计工作，必须要对其可靠性的相关因素进行充分的考虑，才能确保各项设计成果的有效性，从而保证产品性能的安全性和完整性，促进相关工作的持续开展。

参考文献：

[1] 李强.谈PCB电路板的设计[J].商情，2011，（1）.

[2] 曲利新.空间电子设备电路板可靠性可测试性设计检查[J].现代电子技术，2011，（19）.

[3] 孙林.电气安全智能监控系统设计[J].神州，2013，（3）.

[4] 李晓晶.确保信号完整性的电路板设计准则[J].中国新技术新产品，2009，（18）.

作者简介：吴宇佳（1982-），男，广东肇庆人，大学本科，硬件开发工程师，研究方向：电子产品的硬件设计。