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  • 元器件性能退化不可避免,但系統故障和用戶傷害是可以避免的

    發布時間:2022-4-13 11:10    發布者:eechina
    關鍵詞: 元器件 , 性能退化 , 系統故障
    來源:Digi-Key
    作者:Bill Schweber

    電路設計人員——特別是那些實現諸如傳感器前端或電源等模擬功能的設計人員生活在一個元器件的世界里,由于時間的推移(老化)、主動使用、電壓變化和溫度變化,元器件的規格將不可避免地發生漂移和變化。因此,設計人員需要考慮到這類變化,以防其最終產品在部署后超出技術規格的規定。至少不會過早出現這類變化。

    當然,對故障保護的需求要早于電子學。Westinghouse 的故障安全鐵路制動器于 19 世紀末開發,至今仍在使用。在這種結構中,需要采用壓縮空氣來釋放制動器。無論壓縮機、壓縮空氣儲存器或空氣軟管發生任何方式的故障,都會造成制動器嚙合,釋放失敗。

    對于電子產品來說,原則是相同的:我們的設計是為了最大限度地減少故障風險以及由此造成的損害。轉折點:除了故障安全措施,我們還在努力實現自我修復。

    故障預防

    有幾種標準方法可用來避免性能退化的問題;這些方法可單獨或組合使用。

    1:針對與老化、溫度變化和工作點漂移有關的關鍵參數,選擇具有相應的嚴格規格的部件。這種方法通常相當昂貴。廠家可能不會提供規格足夠嚴格的部件,即使有,其可用性也可能是有限。

    2:在產品使用過程中定期執行校準程序。這需要至少一個“黃金"部件,如電壓基準,這種器件在時間和溫度上具有卓越的穩定性。該部件可以作為校準程序的標準。同樣,這種頂級部件可能很昂貴或供應有限。另外,整個系統結構和軟件必須包括額外的校準電路,如高分辨率模數轉換器 (ADC) 和相應的校準軟件。

    3:使用一種具有錯誤自我消除功能的架構或拓撲結構。差分電路可以做到這一點,其中模擬前端 (AFE) 的兩條“腿”的變化是相互跟蹤的,所以差分值非常低。當放大器的輸入電阻可以置于同一芯片上時,這種方法就會特別有吸引力,例如,Texas Instruments 的 INA133UA 差分放大器和 R1、R3(圖 1)。


    圖 1:為了獲得最佳性能,INA133UA 差分放大器的輸入電阻是片上電阻,因此盡管溫度和其他工作條件發生變化,這些電阻也會相互跟蹤。(圖片來源:Texas Instruments)

    在本例中,內部電阻在每一種最佳情況下的偏移為 ±3 Ω,在其 25 kΩ 標稱值中有 ±0.012% 的不匹配;事實上,這些電阻在不同的生產單位中可能只有 ±15% 的準確性。雖然 ±0.012% 的不匹配看起來相當小,但對于所需的性能精度來說,這已達到可以接受的極限,而最壞情況下 ±15% 的不準確度使得性能遠遠超出了設計極限。但更重要的因素是,這兩個電阻在溫度和其他運行變化中相互跟蹤幾乎是相同的,它們的差分比率保持不變,從而產生一個高精確度電路。

    同樣,經典的惠斯通電橋就利用了比率輸入/輸出關系,其中,元件比率是至關重要的,而非各自的絕對值(圖 2)。使用這種比率關系更容易保持性能的準確度性和一致性。


    圖 2:著名的惠斯通電橋使用其電阻臂的比率來測量和歸零信號,而不是采用絕對電阻值;相對于意外的偏移,比率相對獨立的。(圖片來源:PEIO.org)

    當好的元件開始變壞時:故障安全和自我修復

    漂移或老化超出規格的組件只是一類問題。當部件收到應力作用而部分失效或由于制造缺陷而出現內部故障時,便出現另一類問題。

    大多數情況下,采用簡單方法是解決不了這種問題的。在關鍵任務或危險電壓的應用中,設計人員需要考慮潛在故障的影響,以及如何消除此類故障或提供額外的保護層(這些通常由監管標準規定)。

    例如,線路供電型醫療電子設備可能需要隔離變壓器,以防止內部元器件出現絕緣故障時電流流向地面,甚至是極其微小的電流。同樣地,線路供電型(非電池供電)電動工具現在使用雙重絕緣外殼,沒有用戶可以接觸到的導電部分。這樣,即使內部高壓線與外殼短路時,危險電流也不會流向或流經用戶,甚至在交流電源線中沒有安全接地電源線的情況下也是如此。

    在其他情況下,設計人員可以選擇電容器等元件,這些元件可在發生部分故障后恢復,或者至少以良性方式出現性能退化。例如,如 Electronic Concepts Inc. 提供的 5MPA2475E 等金屬化聚合物薄膜電容器會在電介質故障后自動修復,這種故障是由過載或者電壓瞬態造成的(圖 3)。


    圖 3:金屬化聚丙烯薄膜電容器(如 5MPA2475E)可以自我修復浪涌或電壓瞬變可能造成的局部故障(短路)。(圖片來源:Electronic Concepts Inc.)

    絕緣破損時,破損處會形成一個持續時間短、高度集中的電。▓D 4.1)。這種電弧產生的高熱會使附近的金屬化物汽化(圖 4.2),同時使電極重新絕緣,保持電容器繼續運行及其完整性(圖 4.3)。


    圖 4:當故障電弧在擊穿部位的金屬層 (a) 和聚丙烯薄膜 (b) 之間形成時,自愈過程就開始了 (1);該區域的金屬化部分會蒸發 (2);剩下一個絕緣區,繼續保持金屬層之間的隔離,允許電容器繼續運行 (3)。(圖片來源:Schneider Electric,由 Bill Schweber 修改)

    其他電容器不會自我修復,而是具有所謂的“良性故障模式”。例如,即使在短路故障情況下,諸如 AVX 的 TCOD106M050R0150E 等鉭聚合物電容器也不會出現意外的“瞬態熱事件”(電弧或者劇烈燃燒),這種故障在使用許多二氧化錳 (MnO2) 陰極鉭電容器時可能會發生,并造成燃燒或/和火災。

    總結

    設計人員必須在產品的應用范圍內考慮發生全部或部分故障時對性能的影響。雖然智能手機中的電源子系統組件故障不會給用戶或系統造成危險,但通過線路供電的電源發生短路時很容易造成危險。這就是為什么幾乎所有這類電源都有針對過流和過壓、負載短路的保護元件,甚至提供超溫條件下的熱關斷裝置。

    理想情況下,或者也許在未來的世界里,一旦發生故障元件就會進行自我修復,就像人類的皮膚、骨骼和其他器官一樣,在許多情況下只要損害不大就會自我修復一樣。目前,只有通過在系統層面上采用復雜的解決方案,如帶有某種自動或手動切換功能的冗余電路,才有可能實現類似的自我修復功能。

    然而,設計自我修復的電線、無源甚至有源電路元件的挑戰是許多大學研究人員正在努力解決的問題(見參考文獻)。也許有一天,獨立器件可能會啟動自修復模式成為設計和操作的標配。
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