使用可靠性設計（DfR）原理優(yōu)化PCB

2021-03-26

在電子產(chǎn)品中，可靠性同等重要，因為它可以確保產(chǎn)品安全，可靠且適銷(xiāo)對路，并且制造公司不會(huì )因失敗的退貨而感到不知所措。當您在PCB上工作時(shí)，可靠性設計（DfR）是一個(gè)概念，它可以通過(guò)在出現實(shí)際問(wèn)題之前解決故障點(diǎn)來(lái)幫助提高可靠性。

什么是可靠性設計（DfR）？

DfR是在設計階段優(yōu)化產(chǎn)品以確保在制造階段之前識別并解決可能的故障點(diǎn)的系統方法。盡管DfR是一個(gè)相對較新的概念，但隨著(zhù)公司越來(lái)越優(yōu)先考慮生產(chǎn)具有較短設計生命周期的產(chǎn)品，DfR的含義變得越來(lái)越重要。在產(chǎn)品中塞滿(mǎn)更多功能會(huì )增加出現故障的風(fēng)險，而公眾對質(zhì)量的期望卻比以往更高。通過(guò)實(shí)施DfR，產(chǎn)品可以可靠地貫穿其生命周期。 

為什么可靠性設計很重要？

DfR減少了PCB故障的機會(huì )，特別是在惡劣環(huán)境下。

如果您曾經(jīng)了解過(guò)如何在現場(chǎng)使用設計的一部分，您將認識到以下事實(shí)：通過(guò)實(shí)驗室測試并不能保證設計在部署時(shí)的功能。有許多外部變量可以暴露在實(shí)驗室測試中可能遺漏的設計錯誤。

這是設計錯誤在測試過(guò)程中滑過(guò)裂縫的兩種方式的示例： 

在某些機器上安裝PCB時(shí)，PCB會(huì )始終受到高溫的影響，并可能推動(dòng)電子設備在接近其溫度極限的情況下工作。如果某些組件在較高溫度下無(wú)法可靠運行，則整個(gè)系統將受到損害。 

溫度的頻繁變化可能會(huì )使PCB受到熱機械作用。如果連續暴露于高溫和低溫循環(huán)中，某些焊點(diǎn)可能會(huì )破裂。PCB散熱的能力也會(huì )加劇這個(gè)問(wèn)題。散熱管理或缺少散熱管理會(huì )影響使用壽命和PCB正常運行的能力。 

為避免此類(lèi)問(wèn)題，您將希望使用DfR原理，因為它有助于防止PCB出現性能和可靠性問(wèn)題，尤其是成為電磁干擾（EMI）的源頭。盡管組件可能會(huì )在實(shí)驗室環(huán)境中發(fā)揮應有的作用，但不能保證它們在噪聲較大的電氣環(huán)境中會(huì )表現出這種作用。信號損壞的情況是EMI敏感性的跡象，一旦進(jìn)入現場(chǎng)，很難緩解。 

讓我們討論如何應用可靠性設計（DfR）概念來(lái)防止此類(lèi)問(wèn)題。 

如何在PCB設計中實(shí)現可靠性概念的設計

選擇正確的組件是DfR的重要做法

有許多因素會(huì )影響PCB的可靠性。有些，例如制造和PCBA工藝，超出了設計師的控制范圍。但是，您仍然可以盡自己所能來(lái)確保設計的可靠性，并且不需要進(jìn)行持續的故障排除。 

可靠的PCB設計注意事項

1.組件選擇

無(wú)論您是選擇微控制器還是普通電容器，確保數據表上的內容均符合設計要求非常重要。您需要考慮組件的最極端情況，因為這通常是發(fā)生故障的地方。

例如，與以最小容量運行的微控制器相比，以最大速度運行的微控制器消耗更多的功率并產(chǎn)生更多的熱量。這些是設計中需要解決的問(wèn)題。如果要設計在極端環(huán)境下運行的PCB，則可能要放棄商用級組件，而選擇其工業(yè)級或軍用級版本。 

2. EMI緩解

混合信號，RF，模擬和高速信號-如果您的設計與這些術(shù)語(yǔ)相關(guān)，則應注意EMI輻射和磁化率。事實(shí)證明，將高速走線(xiàn)與模擬信號隔離開(kāi)可以防止噪聲從一條走線(xiàn)耦合到另一條走線(xiàn)。 

確保高速信號具有低阻抗的返回路徑也不會(huì )進(jìn)入其他組件的地線(xiàn)，這一點(diǎn)也至關(guān)重要。規劃組件的放置，并為模擬，數字和電源模塊分離接地層。這樣做時(shí)，請避免在PCB中形成接地回路，因為它們會(huì )散發(fā)出噪聲。

3.熱管理

當您使用微控制器和功率MOSFET進(jìn)行設計時(shí)，PCB不可避免會(huì )產(chǎn)生大量熱量。重要的是要知道熱量的散布程度如何，以免組件迅速退化。

使用散熱孔是一種潛在的散熱方法。散熱孔應放置在發(fā)熱組件的周?chē)?；結合散熱器和冷卻風(fēng)扇，它們將使工程師避免在組件上積聚熱點(diǎn)。確保載有大電流的走線(xiàn)以足夠的寬度布線(xiàn)也很重要。 

借助先進(jìn)的PCB設計軟件，可以更輕松地針對可靠性（DfR）設計進(jìn)行PCB優(yōu)化。OrCAD不僅提供用戶(hù)友好的PCB布局工具，還提供分析和仿真軟件以確保設計的可靠性。