电子式控制器硬件电路可靠性设计

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1、电子式控制器硬件电路可靠性设计董郁张太利北京人民电器厂有限公司，102600摘要：本文以低压断路器的电子式控制器设计为基础，依据国军标GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的内容，分析电子式控制器的典型硬件电路的可靠性指标作为实例，并根据一般原理对提高可靠性的方法进行探讨。关键词：低压断路器电子式控制器可靠性随着低压电器的发展，电子式控制器的应用范围越来越广泛，功能越来越丰富，使智能化可通讯的低压断路器普及程度越来越高。但是，长久以来困扰配电系统设计单位及电器元件制造厂商的电子式控制器可靠性问题，对其分析和研究的程度远没有对功能性能指标的研究程度

2、深入。本文以低压断路器电子式控制器的典型硬件电路设计为基础，介绍了GJB/Z299C-2006这一标准在预计可靠性指标方面的应用，并探讨一些提高可靠性方面的方法。一、可靠性预计基本方法GJB/Z299C-2006为电子设备和系统的可靠性预计提供了基本数据和方法，适用于电子设备和系统的可靠性预计，其中元器件应力分析可靠性预计法适用于产品已具有详细的元器件清单，并已确定了元器件所承受应力的设备研制阶段；元器件计数可靠性预计法适用于产品研制的初步设计阶段。1．基本概念可靠性涉及两个主要指标，即失效率（λ）和平均故障间隔时间（MTBF），这两个参数互为倒数，即??1。M

3、TBF为了预计电子设备或系统的失效率，还需要确定下面几个参数：①元器件基本失效率λb：元器件在电应力和温度应力下的失效率，通常用温度（T）和电应力比（S）对元器件影响的关系模型来表示；②元器件工作失效率λP：元器件在应用环境下的失效率，通常由基本失效率乘以各种因素的调整系数来表示；③环境系数πE：不同环境类别的环境应力（除温度应力外）对元器件失效率影响的调整系数；④质量系数πQ：不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数；⑤通用失效率λG：元器件在某一环境类别中，在通用工作环境温度和常用工作应力下的失效率。在元器件计数可靠性预计时使用此通用失效率。2．可靠性预

4、计程序电子设备可靠性预计的一般程序如下：①先划分可靠性预计单元，后建立系统可靠性模型。预计单元在电路功能上相对独立，其可靠性模型一般为串联结构；②计算各预计单元内元器件的工作失效率。对于采用元器件应力分析可靠性预计法的，按工作失效率模型计算其工作失效率；对于采用元器件计数可靠性预计法的，由通用失效率乘以通用质量系数，便得到某一种类元器件工作失效率的通常值；③将预计单元内各种类元器件的工作失效率相加，由此得出预计单元的失效率；④按设备、系统的可靠性模型逐级预计设备、系统的平均故障间隔时间等可靠性指标。二、电子式控制器典型电路介绍低压断路器的电子式控制器中，硬件电路

5、包含众多功能模块，其中最基本的也是必备的功能模块为电流信号处理模块。以万能式断路器智能控制器为例，这个模块的功能就是将由电流互感器罗氏线圈输入的微分信号进行积分还原，并完成放大、整流、滤波等处理，输出信号送入A/D转换器。下图为典型的电流信号处理电路原理图，本文以此作为预计单元进行分析说明。图1典型电流信号处理电路原理图1．电路结构简述上图中，L1+、L1-为电流互感器信号的输入端。由第一个运算放大器构成第一级放大电路，由第二个运算放大器构成第二级放大电路。2P10.6和1P1.0分别为主、副MCU的第一级模拟信号输入端，2P10.1和1P10.7分别为主、副M

6、CU的第二级模拟信号输入端。之所以设计两级放大电路，是为了既能够保证在小电流（小信号输入）时具有较高的测量精度，又能够保证在大电流（大信号输入）时有较大的信号处理范围。+2.5V的虚地电平由独立基准电源产生。在电子设备中，越来越多的采用单电源设计，这样在处理交流信号时，为了保证信号波形不失真，必须引入“虚地”，在完成A/D转换后，该虚地电平的影响可在单片机内由数字处理滤除。第一级放大电路为差分放大电路，只对输入的差分信号进行放大，不受共模干扰的影响。第一级放大电路的放大倍数由反馈阻抗和输入电阻决定，反馈电路中的电容主要起滞后移相的作用，以补偿由罗氏线圈带来的相位

7、超前。第二级放大电路为反相比例运算放大电路，其放大倍数由反馈电阻和输入电阻决定。由于该电路放大共模信号，因此需要注意正、反相输入端的输入电阻匹配以避免输出电压零漂。经过处理后的信号在输入单片机进行AD转换之前还有阻容构成的保持电路，由于该电路的阻抗值相差很大，其对信号幅值和相位的影响可忽略。2．元器件列表在可靠性预计中，具体电路功能对预计单元的可靠性并无太大影响，预计单元内元器件的失效率才是影响预计单元可靠性的主要因素。因此，对于图1电路的功能特性本文不做分析，仅对可靠性有影响的元器件进行分析说明。电阻器明细见下表：电容器明细见下表：集成电路明细见下表：表1c电

8、流信号处理电路集成电路清