電子式控制器硬件電路可靠性設(shè)計

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1、電子式控制器硬件電路可靠性設(shè)計董郁張?zhí)本┤嗣耠娖鲝S有限公司，102600摘要：本文以低壓斷路器的電子式控制器設(shè)計為基礎(chǔ)，依據(jù)國軍標(biāo)GJB/Z299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》的內(nèi)容，分析電子式控制器的典型硬件電路的可靠性指標(biāo)作為實例，并根據(jù)一般原理對提高可靠性的方法進行探討。關(guān)鍵詞：低壓斷路器電子式控制器可靠性隨著低壓電器的發(fā)展，電子式控制器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，功能越來越豐富，使智能化可通訊的低壓斷路器普及程度越來越高。但是，長久以來困擾配電系統(tǒng)設(shè)計單位及電器元件制造廠商的電子式控制器可靠性問題，對其分析和研究的程度遠沒有對功能性能指標(biāo)的研究程度

2、深入。本文以低壓斷路器電子式控制器的典型硬件電路設(shè)計為基礎(chǔ)，介紹了GJB/Z299C-2006這一標(biāo)準(zhǔn)在預(yù)計可靠性指標(biāo)方面的應(yīng)用，并探討一些提高可靠性方面的方法。一、可靠性預(yù)計基本方法GJB/Z299C-2006為電子設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性預(yù)計提供了基本數(shù)據(jù)和方法，適用于電子設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性預(yù)計，其中元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)計法適用于產(chǎn)品已具有詳細(xì)的元器件清單，并已確定了元器件所承受應(yīng)力的設(shè)備研制階段；元器件計數(shù)可靠性預(yù)計法適用于產(chǎn)品研制的初步設(shè)計階段。1．基本概念可靠性涉及兩個主要指標(biāo)，即失效率（λ）和平均故障間隔時間（MTBF），這兩個參數(shù)互為倒數(shù)，即??1。M

3、TBF為了預(yù)計電子設(shè)備或系統(tǒng)的失效率，還需要確定下面幾個參數(shù)：①元器件基本失效率λb：元器件在電應(yīng)力和溫度應(yīng)力下的失效率，通常用溫度（T）和電應(yīng)力比（S）對元器件影響的關(guān)系模型來表示；②元器件工作失效率λP：元器件在應(yīng)用環(huán)境下的失效率，通常由基本失效率乘以各種因素的調(diào)整系數(shù)來表示；③環(huán)境系數(shù)πE：不同環(huán)境類別的環(huán)境應(yīng)力（除溫度應(yīng)力外）對元器件失效率影響的調(diào)整系數(shù)；④質(zhì)量系數(shù)πQ：不同質(zhì)量等級對元器件工作失效率影響的調(diào)整系數(shù)；⑤通用失效率λG：元器件在某一環(huán)境類別中，在通用工作環(huán)境溫度和常用工作應(yīng)力下的失效率。在元器件計數(shù)可靠性預(yù)計時使用此通用失效率。2．可靠性預(yù)

4、計程序電子設(shè)備可靠性預(yù)計的一般程序如下：①先劃分可靠性預(yù)計單元，后建立系統(tǒng)可靠性模型。預(yù)計單元在電路功能上相對獨立，其可靠性模型一般為串聯(lián)結(jié)構(gòu)；②計算各預(yù)計單元內(nèi)元器件的工作失效率。對于采用元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)計法的，按工作失效率模型計算其工作失效率；對于采用元器件計數(shù)可靠性預(yù)計法的，由通用失效率乘以通用質(zhì)量系數(shù)，便得到某一種類元器件工作失效率的通常值；③將預(yù)計單元內(nèi)各種類元器件的工作失效率相加，由此得出預(yù)計單元的失效率；④按設(shè)備、系統(tǒng)的可靠性模型逐級預(yù)計設(shè)備、系統(tǒng)的平均故障間隔時間等可靠性指標(biāo)。二、電子式控制器典型電路介紹低壓斷路器的電子式控制器中，硬件電路

5、包含眾多功能模塊，其中最基本的也是必備的功能模塊為電流信號處理模塊。以萬能式斷路器智能控制器為例，這個模塊的功能就是將由電流互感器羅氏線圈輸入的微分信號進行積分還原，并完成放大、整流、濾波等處理，輸出信號送入A/D轉(zhuǎn)換器。下圖為典型的電流信號處理電路原理圖，本文以此作為預(yù)計單元進行分析說明。圖1典型電流信號處理電路原理圖1．電路結(jié)構(gòu)簡述上圖中，L1+、L1-為電流互感器信號的輸入端。由第一個運算放大器構(gòu)成第一級放大電路，由第二個運算放大器構(gòu)成第二級放大電路。2P10.6和1P1.0分別為主、副MCU的第一級模擬信號輸入端，2P10.1和1P10.7分別為主、副M

6、CU的第二級模擬信號輸入端。之所以設(shè)計兩級放大電路，是為了既能夠保證在小電流（小信號輸入）時具有較高的測量精度，又能夠保證在大電流（大信號輸入）時有較大的信號處理范圍。+2.5V的虛地電平由獨立基準(zhǔn)電源產(chǎn)生。在電子設(shè)備中，越來越多的采用單電源設(shè)計，這樣在處理交流信號時，為了保證信號波形不失真，必須引入“虛地”，在完成A/D轉(zhuǎn)換后，該虛地電平的影響可在單片機內(nèi)由數(shù)字處理濾除。第一級放大電路為差分放大電路，只對輸入的差分信號進行放大，不受共模干擾的影響。第一級放大電路的放大倍數(shù)由反饋阻抗和輸入電阻決定，反饋電路中的電容主要起滯后移相的作用，以補償由羅氏線圈帶來的相位

7、超前。第二級放大電路為反相比例運算放大電路，其放大倍數(shù)由反饋電阻和輸入電阻決定。由于該電路放大共模信號，因此需要注意正、反相輸入端的輸入電阻匹配以避免輸出電壓零漂。經(jīng)過處理后的信號在輸入單片機進行AD轉(zhuǎn)換之前還有阻容構(gòu)成的保持電路，由于該電路的阻抗值相差很大，其對信號幅值和相位的影響可忽略。2．元器件列表在可靠性預(yù)計中，具體電路功能對預(yù)計單元的可靠性并無太大影響，預(yù)計單元內(nèi)元器件的失效率才是影響預(yù)計單元可靠性的主要因素。因此，對于圖1電路的功能特性本文不做分析，僅對可靠性有影響的元器件進行分析說明。電阻器明細(xì)見下表：電容器明細(xì)見下表：集成電路明細(xì)見下表：表1c電

8、流信號處理電路集成電路清