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关于硬件设计知识的一些转载

2014-11-14 10:26 253 查看

电源瞬断

发现很多板子的软硬件设计没有考虑电源冲击浪涌导致的电源瞬断问题，这可就麻烦了，做出来的东西根本不能当成产品卖，充其量是个开发板玩具。

你可能有这样的经验，家里的冰箱制冷电机启动时/打开电视机瞬间，屋子里的灯会突然暗一下，没错，这就是瞬断现象，电源在冲击浪涌影响下丢失了十几个周期的电压。在很多没有培训过的人的印象里，电源只有在出现问题时才会断电，殊不知，正常使用过程中就会发生短暂停电的问题。

一个插线板额定电流是15A，用电器额定电流是1A，我敢肯定，大多数人都会认为没有问题。没有培训过的肯定意识不到，1A电流只是用电器稳定工作后的电流数值，在刚上电瞬间，可能会有高达几十安甚至上百安的冲击浪涌电流，比如：某些设备的电源滤波电容很大，在上电瞬间近乎于短路，会产生很大的冲击电流。此时，超过了插线板的额定电流，冲击电流在导线内阻上产生很大的压降(200A冲击电流在1欧导线电阻上就会产生200V压降)，导致电源输出电压暂时消失。

小灯泡正常工作时的电流为50mA，有人想并联100个小灯泡做显示/照明阵列，据此计算出要用50mA * 100 = 5A的电源供电。他不知道小灯泡不亮时灯丝冷却，电阻小，亮了以后，温度升高，电阻变大，所以亮灭的电阻变化太大，会导致冲击电流产生。小灯泡冲击电流高达0.5A，100个并联_总电流应该是50A。所以未经培训的人就容易在设计上出事。要解决这个问题，方法多多：便宜的就串联热敏电阻，资金充裕的就用恒流源，不怕费电的就加入暗电流电阻(灯丝一直预热，不会冷热突然变化造成浪涌冲击)。没经过培训的人基本来说都会死在电源浪涌冲击上。

很多人都知道要在继电器线圈上并联一个续流二极管之类的保护电路，防止反向电动势损坏三极管或者发生火花放电，干扰其他设备，但大家可能都没注意到瞬断保护问题。如果没有这个保护电路，瞬断时VCC会暂时失去电压，导致吸合的继电器断开，造成误动作。比如：工厂车间的大型设备(电炉/电机)启动瞬间，工控板突然失去VCC电压，继电器断开，导致电磁铁上吸住的大铁块高空坠落，造成严重事故。所以，专业的继电器驱动电路会考虑到这个细节，通过增加不间断电源防止继电器误动作。很多未经培训的人根本不知道竟然还有这回事，更别提加入保护了，他们做出来的所谓工控板根本不能用于工业现场，只能作为开发板玩具玩玩而已。论坛上一些新手的讨论让人哭笑不得，不知从哪抄来一张电路图，明眼人一看就知道是行家设计的，非常专业，细节完美，但是竟被一些初哥批得面目全非，有人说这个设计者脑袋进水了，有的说这个电路不浪费一些器件不足以体现其价值，为了卖高价所以加入多余器件充数。拜托！抄都不会抄，真不识货，好东西也给糟蹋了。

那么，控制电路应该怎么防瞬断呢？这要从软件和硬件两方面同时考虑。瞬断发生时，RAM数据立刻挥发，造成数据混乱。看到有人设计了一款智能家居控制中心设备，根本就没考虑到瞬断防护，也许压根就不知道有这么回事，我心想，这要是家里冰箱制冷电机一启动或者谁捅开了电视，发生十几个周期的电源瞬断，RAM内存挥发，那这个控制中心不疯掉才怪，这不搞笑嘛！到时候灯光乱闪，窗帘拉上又拉开，门也不锁了，这种智能家居不成了疯子家居了嘛，谁敢用啊！所以不经过培训的新手无法设计出产品级的设备。正确的作法是：增加一个电源监控芯片，当探测到电压低于门限时，立即将RAM内存中的数据转移到非易失性存储器里去，然后，复位系统，使之进入确定空闲状态，不会逻辑混乱。当电压恢复时，触发上电复位，软件检测到是瞬断，就做卷回处理，将非易失性存储器里保存的现场数据再恢复到RAM内存中重新运行，这样，瞬断就不会造成关键数据丢失，引起混乱。当然，还要提供储能电路，以便支撑瞬断保护期间几个毫秒的能量供给。

有人用单片机驱动伺服电机，运行一段时间之后总是跑飞，表现为要么少则半天，多则几天按键失去控制，要么电机不受控制运行，估计是程序跑飞了，为什么呀？呵呵，就是前面说的冲击浪涌导致的电源瞬断。遇到这种莫名其妙的故障，八成是电源问题，关键是没经过培训的人根本就不知道这回事，所以也想不到这点，百思不得其解，想破脑袋也设计不出稳定的电路，只能撞大运，胡乱改改，自以为改好了，其实，隐患仍未消除，除非经过专业系统的EMC培训，否则，光靠自己空想或者随便上网问问，根本就解决不了实质问题。瞬断还只是一个非常简单的电源问题，相对于其他电源问题实属九牛一毛，残酷的现实就是：以后新手不经过EMC培训，越来越不可能设计这种要求较高的工业控制电路了。

防静电

经常看到有人用手摸芯片，看看烫不烫啊，或者用金属镊子碰管脚，拿板子也不拿板边，芯片挂了也不知道。还有些所谓产品都没有防静电措施，比如：VGA驱动板、串口设备、USB设备，所有ARM玩具开发板等等，图纸上根本看不到静电防护的影子，我想当这些设备接二连三地莫名其妙地坏掉时，生产商会欲哭无泪的。也许有人会说，我以前就是这样设计的，很多年不也混过来了，现在为什么要重视静电防护呢？首先，以前就存在静电损坏问题，只不过没人愿意说，太丢人了；其次，现在时代变了，电器多了，芯片变“娇气”了，静电损坏的几率高了。

很多人没有意识到用手触摸芯片的危害，根本没感觉到电击嘛，怎么会损坏芯片。殊不知，人类可以感觉到的静电至少2000V以上，冬天干燥季节用手摸门把手遭遇的电击至少在20000V以上，即使你没有感觉，你的手也可能在不断放电。一般芯片，几伏的电压可能就会损坏，更别提上千上万伏的高压大电流瞬间放电了。这个静电损坏，先是烧出一个小洞，电流增加，然后增加的电流使洞变大，洞越大，电流越大，恶性循环，雪崩效应，瞬间就可以击穿一个大洞。静电大电流还有可能烧断管脚引线。有时，静电损坏不是立即表现出来，出厂检测，用户使用都没问题，但是关键时刻掉链子，用户正炒股炒得兴高采烈的时候，突然芯片损坏，导致死机，严重影响用户体验，损毁商誉。

防静电是一个系统工程，取用、运输、存放、使用全过程都要防。比如：带防静电腕带、穿防静电服和鞋，使用负离子发生器，加湿器，防静电台，不摆放容易引起静电的物品(塑料文件夹、梳子等)，划定安全区，使用防静电袋/箱存放板子等等。

硬件单板上容易受到静电干扰的I/O接口部分都要增加ESD防护芯片。比如：串口、USB口、网口、VGA口等等。那么为什么不用普通的TVS或者压敏电阻来防静电呢？不都是浪涌冲击，瞬间作用嘛，有什么区别呢？

区别有四：

1、响应时间

静电放电速度很快，一般的防浪涌器件根本反应不过来。

2、承载电流

静电放电电流很大。

3、结电容

防浪涌器件一般接在电源上，结电容无不良影响，可是防静电器件一般接在数据信号线上，结电容会低通滤波高速数据信号，导致数据混乱，无法高速传输。

4、钳位电压

ESD器件钳位电压更低，适合接在数据信号I/O口线上，一般这类电压都在3.3V以下。

设备增加防静电措施后，可靠性提高，不会动不动就发生莫名其妙的故障，也经得起无知用户误操作，用户体验好，有可能增加定单，不频繁发生故障，就可以节省大量差旅费、邮费，大幅提升公司利润。

目前，很多公司的硬件设计人员没有EMC经验，玩具开发板上也没有此类产品级的参考设计，导致大量完全没有防护能力的产品充斥市场，害人害己，用户买到的产品故障频繁，厂家也挣不到钱，生产出来的都是玩具，而不是真正产品。例如：有的厂家生产出串口转以太网模块，一装到工业现场，就三天两头出故障，安装工人可不懂什么防护，粗暴地热插拔设备，好不容易卖了几百个几千个，接二连三地坏掉，全国各地满天飞，到处灭火，挣的钱还不够差旅费呢。如果不修吧，又影响商誉，一锤子买卖，做完这次没下回了。还有的厂商做的所谓工控板，使用WinCE做界面，功能强大，美仑美奂，嘿，硬是中看不中用，一到现场就出故障，实验室测试完全没问题，可就是用不了，数据错乱、死机、误动作、重启、硬件损坏......故障五花八门。工控板硬是不能接海岛/轮船上的发电机，波动太大，板子受不了，老死机，那还卖个屁呀！有的公司以为随便抄点硬件demo图纸，弄点开源程序，就可以做远程监测设备，殊不知，这种东西想挣钱，需要做系统工程，全流程考虑EMC防护，比如：设备电源的处理、PCB板级设计、结构工艺设计、接口防护等等一系列复杂工作。否则，电源故障导致死机、数据错乱等问题，干扰造成设备失灵等等，根本就无法盈利，做得越多亏损越多，除非你就是铁了心做骗人的勾当。

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