电子系统的故障可能是灾难性的。我们如何避免它们?

7月4日,火箭实验室发射了第13次电子火箭这一次，它携带了7颗不同的卫星。

火箭按计划进行了1级发动机燃烧、1 - 2级分离、2级点火、整流罩抛射等多个阶段，发射成功。戏剧性的是，在第二级燃烧的几分钟后，引擎关闭，火箭未能进入轨道，导致随后火箭及其有效载荷的损失。

火箭实验室电子7月4日发射。图片由今天的宇宙

直到最近，故障的根源才被确定为有故障的电气连接。

火箭实验室解释说，在整个飞行过程中，连接是断断续续的安全的，产生的阻力导致组件发热和热膨胀。这种热量导致周围的元件熔化、断开，最终失效。这个问题在飞行前没有被发现，因为在测试期间断断续续的连接是可靠的。

电气故障:为什么会发生?

这样的灾难引发了这样一个问题:工程师如何在他们的系统设计中避免失败?

答案并不简单。不管你有多彻底，像火箭实验室这样的异常事件还是会发生。

电气故障的极端例子。图片由节奏自动化

一般来说，电气系统的故障往往是由设计不充分引起的，例如组件选择不当或连接尺寸不合适。错误也可能出现在制造和装配步骤，如错误的连接或污染。

在本文中，我们将讨论一些设计方面的失效模式。

组件的选择注意事项

在选择PCB元件时，设计人员必须考虑元件的公差。每个电气元件都有一个定义的工作范围——电流和电压输入的最大值/最小值和工作温度。当组件没有仔细选择和集成在这些范围内，很可能发生故障，通常是过热的形式。

所有电子元件也有一个值公差。例如，1uf电容的数据表通常会显示为±20%。这表明，由于制造差异，您的电容器实际上可以在任何地方从0.8 uF到1.2 uF。当设计像交直流变换器这样的东西时，这变得非常重要，其中纹波电压是一个重要的规格，直接受到电容器的实际值的影响。

器件评级Micrel的IttyBitty RC定时器IC, MIC1555/1557。图片由Micrel(芯片)

在系统的制造和运行过程中，工程师必须考虑到这些公差。出于这个原因，谨慎的工程师会在设计他们的系统时考虑安全因素，以便在系统出现异常时留有回旋余地。

互连设计注意事项

PCB或芯片的另一种常见失效模式是设计不充分的互连。

在PCB中，根据电流容量、导线之间的间距以及导线连接到的焊盘的尺寸和间距来确定导线的尺寸是很重要的。痕迹可以被认为与任何其他电子元件一样;当它们的容忍度超过时，它们就会过热而失败。

有各种各样的PCB跟踪宽度计算器免费提供给工程师，考虑所有这些因素。

显示电迁移结果的图示。图片由Synopsys对此

在芯片设计,电迁移可能是一种主要的失效模式．电迁移是集成电路互连线中金属原子因高电流密度而发生的运动。这要么导致原子的沉积(称为小丘)，导致原子的缩短，要么导致原子的耗尽(称为空洞)，导致原子的打开。

就像PCB线宽故障一样，电迁移在高电流密度时也会导致故障，这意味着在其他方法中，避免这个问题的一个简单方法是加宽导线以降低电流密度。尺寸不合适的互连线将通过电迁移导致系统故障。

许多故障安全装置中的两个

虽然我们只涉及了电力系统中两种非常基本的故障模式，但了解它们是很重要的。选择不当的元件和尺寸不当的互连线都是常见但可避免的电气故障模式。

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