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來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 電路設(shè)計人員——特別是那些實現(xiàn)諸如傳感器前端或電源等模擬功能的設(shè)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(guī)格將不可避免地發(fā)生漂移和變化。因此，設(shè)計人員需要考慮到這類變化，以防其最終產(chǎn)品在部署后超出技術(shù)規(guī)格的規(guī)定。至少不會過早出現(xiàn)這類變化。 當(dāng)然，對故障保護的需求要早于電子學(xué)。Westinghouse 的故障安全鐵路制動器于 19 世紀(jì)末開發(fā)，至今仍在使用。在這種結(jié)構(gòu)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(fā)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(chǎn)品來說，原則是相同的：我們的設(shè)計是為了最大限度地減少故障風(fēng)險以及由此造成的損害。轉(zhuǎn)折點：除了故障安全措施，我們還在努力實現(xiàn)自我修復(fù)。 故障預(yù)防 有幾種標(biāo)準(zhǔn)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(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，選擇具有相應(yīng)的嚴(yán)格規(guī)格的部件。這種方法通常相當(dāng)昂貴。廠家可能不會提供規(guī)格足夠嚴(yán)格的部件，即使有，其可用性也可能是有限。 2：在產(chǎn)品使用過程中定期執(zhí)行校準(zhǔn)程序。這需要至少一個“黃金"部件，如電壓基準(zhǔn)，這種器件在時間和溫度上具有卓越的穩(wěn)定性。該部件可以作為校準(zhǔn)程序的標(biāo)準(zhǔn)。同樣，這種頂級部件可能很昂貴或供應(yīng)有限。另外，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件必須包括額外的校準(zhǔn)電路，如高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和相應(yīng)的校準(zhǔn)軟件。 3：使用一種具有錯誤自我消除功能的架構(gòu)或拓撲結(jié)構(gòu)。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(dāng)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(fā)生變化，這些電阻也會相互跟蹤。（圖片來源：Texas Instruments） 在本例中，內(nèi)部電阻在每一種最佳情況下的偏移為 ±3 Ω，在其 25 kΩ 標(biāo)稱值中有 ±0.012% 的不匹配；事實上，這些電阻在不同的生產(chǎn)單位中可能只有 ±15% 的準(zhǔn)確性。雖然 ±0.012% 的不匹配看起來相當(dāng)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(zhǔn)確度使得性能遠遠超出了設(shè)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(chǎn)生一個高精確度電路。 同樣，經(jīng)典的惠斯通電橋就利用了比率輸入/輸出關(guān)系，其中，元件比率是至關(guān)重要的，而非各自的絕對值（圖 2）。使用這種比率關(guān)系更容易保持性能的準(zhǔn)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(dāng)好的元件開始變壞時：故障安全和自我修復(fù) 漂移或老化超出規(guī)格的組件只是一類問題。當(dāng)部件收到應(yīng)力作用而部分失效或由于制造缺陷而出現(xiàn)內(nèi)部故障時，便出現(xiàn)另一類問題。 大多數(shù)情況下，采用簡單方法是解決不了這種問題的。在關(guān)鍵任務(wù)或危險電壓的應(yīng)用中，設(shè)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(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定）。 例如，線路供電型醫(yī)療電子設(shè)備可能需要隔離變壓器，以防止內(nèi)部元器件出現(xiàn)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(xiàn)在使用雙重絕緣外殼，沒有用戶可以接觸到的導(dǎo)電部分。這樣，即使內(nèi)部高壓線與外殼短路時，危險電流也不會流向或流經(jīng)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(shè)計人員可以選擇電容器等元件，這些元件可在發(fā)生部分故障后恢復(fù)，或者至少以良性方式出現(xiàn)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(zhì)故障后自動修復(fù)，這種故障是由過載或者電壓瞬態(tài)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(fù)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(xù)時間短、高度集中的電弧（圖 4.1）。這種電弧產(chǎn)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(xù)運行及其完整性（圖 4.3）。
圖 4：當(dāng)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(qū)域的金屬化部分會蒸發(fā) (2)；剩下一個絕緣區(qū)，繼續(xù)保持金屬層之間的隔離，允許電容器繼續(xù)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(fù)，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(xiàn)意外的“瞬態(tài)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(fā)生，并造成燃燒或/和火災(zāi)。 總結(jié) 設(shè)計人員必須在產(chǎn)品的應(yīng)用范圍內(nèi)考慮發(fā)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(tǒng)組件故障不會給用戶或系統(tǒng)造成危險，但通過線路供電的電源發(fā)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(guān)斷裝置。 理想情況下，或者也許在未來的世界里，一旦發(fā)生故障元件就會進行自我修復(fù)，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(fù)一樣。目前，只有通過在系統(tǒng)層面上采用復(fù)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(xiàn)類似的自我修復(fù)功能。 然而，設(shè)計自我修復(fù)的電線、無源甚至有源電路元件的挑戰(zhàn)是許多大學(xué)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(fù)模式成為設(shè)計和操作的標(biāo)配。 |
