基于ANSYS的單片機(jī)可靠性仿真分析

摘要：簡要分析了單片機(jī)工作可靠性低的原因，并據(jù)此提出了有效的解決措施。利用有限元仿真軟件ANSYS，對(duì)單片機(jī)的熱失效現(xiàn)象進(jìn)行了仿真分析，為相關(guān)技術(shù)人員提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);可靠性;存儲(chǔ)器;有限元;熱失效

0 引言

單片機(jī)種類較多，不同的應(yīng)用場合會(huì)根據(jù)單片機(jī)的特點(diǎn)選用相應(yīng)的類型，但是不管何種類型的單片機(jī)，都會(huì)在工作過程中產(chǎn)生熱量，尤其是在炎熱的夏季，當(dāng)單片機(jī)在大功率狀態(tài)下工作時(shí)，很容易出現(xiàn)熱失效的現(xiàn)象，從而影響單片機(jī)的工作穩(wěn)定性。本文利用有限元仿真軟件ANSYS，優(yōu)化單片機(jī)的發(fā)熱量，避免出現(xiàn)熱失效的現(xiàn)象，從而提高單片機(jī)的工作可靠性。

1 單片機(jī)工作可靠性低的原因

1.1? ? 內(nèi)部原因

如果凍結(jié)了單片機(jī)，單片機(jī)上的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致程序無限循環(huán)，使單片機(jī)的內(nèi)部程序指針混亂，隨機(jī)指向錯(cuò)誤位置，導(dǎo)致正在運(yùn)行的程序不準(zhǔn)確，破壞隨機(jī)存儲(chǔ)器中的某些數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生錯(cuò)誤的程序計(jì)算結(jié)果。外圍鎖存電路如果受到影響，也會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)出現(xiàn)故障，使單片機(jī)的控制目標(biāo)與鎖存電路之間的線路被打亂。

1.2? ? 外部原因

單片機(jī)本身沒有足夠的抗干擾能力，而單片機(jī)所處的工作環(huán)境具有很強(qiáng)的電磁干擾。與此同時(shí)，單片機(jī)沒有足夠的抗電源干擾保護(hù)，其運(yùn)行功率太低，缺少單芯片編程或抗干擾等提高自身可靠性的設(shè)計(jì)。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)力太小，導(dǎo)致許多外部因素都能降低單片機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。單片機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)屏蔽防護(hù)措施。

2 提高單片機(jī)工作可靠性的措施

2.1? ? 電源干擾

功率干擾已成為影響單片機(jī)可靠性的最重要因素之一。相關(guān)研究表明，單片機(jī)的90%或更多故障中都是由電源噪聲引起的。交流電源會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生干擾。在正常情況下，220 V、50 Hz電源是單片機(jī)的使用電源，為了提高單片機(jī)可靠性，還需要使用電源濾波器、交流穩(wěn)壓器或隔離變壓器。通常情況下，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可以使用多個(gè)處于不同電壓、電平的直流電源。

2.2? ? 接地線干擾

在整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)中，接地質(zhì)量對(duì)單片機(jī)工作的可靠性有很大影響。當(dāng)單片機(jī)在低頻電路中時(shí)，布線和組件之間的設(shè)計(jì)及電感對(duì)單片機(jī)的影響很小。當(dāng)單片機(jī)處于高頻電路中時(shí)，分布式電容和布線組件系列電感會(huì)導(dǎo)致各種接地線之間耦合，此處應(yīng)使用多點(diǎn)接地方式。如果條件允許，接地線應(yīng)盡可能寬，旁路電容器的接地線不應(yīng)過長。如果電流信號(hào)較大，電流信號(hào)通過接地線，則需要增加接地線寬度。

3 單片機(jī)可靠性有限元仿真分析

3.1? ? 單片機(jī)模型的建立及網(wǎng)格劃分

單片機(jī)是可編程控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，單片機(jī)內(nèi)具有多種類型的電子元器件，主要有存儲(chǔ)器、中斷器、定時(shí)器、信號(hào)接口等。如果控制系統(tǒng)一直處于較大功率的狀態(tài)下工作，單片機(jī)內(nèi)部的電子元器件容易發(fā)生熱失效現(xiàn)象。本文主要利用SolidWorks三維建模軟件繪制了單片機(jī)的三維模型，為了便于開展單片機(jī)熱失效的有限元仿真工作，對(duì)單片機(jī)三維模型不必要的特征進(jìn)行了相應(yīng)簡化，其三維模型如圖1所示。

單片機(jī)的三維模型建立完成后，要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文主要采用ANSYS有限元仿真軟件內(nèi)部的meshing模塊對(duì)單片機(jī)的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用的網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單片機(jī)的網(wǎng)格數(shù)為265 872，網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

3.2? ? 邊界條件的設(shè)置及求解計(jì)算

假設(shè)單片機(jī)的發(fā)熱功率為35 W/m3，單片機(jī)的自然冷卻散熱速率為4 W/m2，當(dāng)單片機(jī)工作的環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，單片機(jī)的溫度分布云圖如圖3所示，當(dāng)單片機(jī)工作的環(huán)境溫度為38 ℃時(shí)，單片機(jī)的溫度分布云圖如圖4所示。

由圖3可知，在環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，單片機(jī)的最高溫度為36.945 ℃，最高溫度分布在單片機(jī)右側(cè)，此時(shí)環(huán)境溫度為常溫，溫度條件相對(duì)適宜，單片機(jī)出現(xiàn)熱失效的可能性較低。

當(dāng)環(huán)境溫度為38 ℃時(shí)，單片機(jī)的最高溫度為45.315 ℃，最高溫度同樣分布在單片機(jī)右側(cè)，此時(shí)環(huán)境溫度為高溫狀態(tài)，溫度條件相對(duì)惡劣，若不對(duì)單片機(jī)進(jìn)行有效散熱，將會(huì)降低單片機(jī)的可靠性，甚至?xí)l(fā)生熱失效的風(fēng)險(xiǎn)。

為了提高單片機(jī)的可靠性，降低熱失效風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)單片機(jī)進(jìn)行降溫，本文采用TEC半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行降溫。單片機(jī)在采用TEC半導(dǎo)體制冷的狀態(tài)下，在環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，單片機(jī)最高溫度為33.29 ℃，最高溫度分布在單片機(jī)中間區(qū)域，此時(shí)環(huán)境溫度較為適宜，單片機(jī)出現(xiàn)熱失效的可能性較低。單片機(jī)在采用TEC半導(dǎo)體制冷的狀態(tài)下，環(huán)境溫度為38 ℃時(shí)，單片機(jī)的最高溫度為39.23 ℃，最高溫度分布在單片機(jī)中間區(qū)域，此時(shí)環(huán)境溫度較為炎熱，但不會(huì)發(fā)生熱失效問題，有效保證了單片機(jī)的可靠性。

4 結(jié)語

隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航天航空、機(jī)械電子、化工、人工智能等領(lǐng)域，單片機(jī)除了要滿足特定應(yīng)用領(lǐng)域的功能要求外，還必須保證單片機(jī)工作的可靠性。本文通過仿真分析，驗(yàn)證了單片機(jī)在TEC制冷狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生熱失效的現(xiàn)象，證明了TEC半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高單片機(jī)的工作可靠性。

收稿日期：2020-07-01

作者簡介：王軍亞（1974—），男，河南商水人，講師，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。