基于ANSYS的单片机可靠性仿真分析.docx

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1、摘要:简要分析了单片机工作可靠性低的原因,并据此提出了有效的解决措施。利用有限元仿真软件ANSYS,对单片机的热失效现象进行了仿真分析,为相关技术人员提供了一定的参考。关键词:单片机;可靠性;存储器;有限元;热失效O引言单片机种类较多,不同的应用场合会根据单片机的特点选用相应的类型,但是不管何种类型的单片机,都会在工作过程中产生热量,尤其是在炎热的夏季,当单片机在大功率状态下工作时,很容易出现热失效的现象,从而影响单片机的工作稳定性。本文利用有限元仿真软件ANSYS,优化单片机的发热量,避免出现热失效的现象,从而提高单片机的工作可靠性。1单片机工作可靠性低的原因1.1内部原因如果冻结了单片机,

2、单片机上的随机存储数据会导致程序无限循环,使单片机的内部程序指针混乱,随机指向错误位置,导致正在运行的程序不准确,破坏随机存储器中的某些数据,并产生错误的程序计算结果。外围锁存电路如果受到影响,也会导致单片机出现故障,使单片机的控制目标与锁存电路之间的线路被打乱。1.2外部原因单片机本身没有足够的抗干扰能力,而单片机所处的工作环境具有很强的电磁干扰。与此同时,单片机没有足够的抗电源干扰保护,其运行功率太低,缺少单芯片编程或抗干扰等提高自身可靠性的设计。单片机驱动力太小,导致许多外部因素都能降低单片机的稳定性和可靠性。单片机进行远距离数据传输时,缺乏相应的数据屏蔽防护措施。2引提高单片机工作可靠

3、性的措施2.1电源干扰功率干扰已成为影响单片机可靠性的最重要因素之一。相关研究表明,单片机的90%或更多故障中都是由电源噪声引起的。交流电源会对单片机产生干扰。在正常情况下,220V、50HZ电源是单片机的使用电源,为了提高单片机可靠性,还需要使用电源滤波器、交流稳压器或隔离变压器。通常情况下,单片机应用系统可以使用多个处于不同电压、电平的直流电源。2.2接地线干扰在整个单片机系统中,接地质量对单片机工作的可靠性有很大影响。当单片机在低频电路中时,布线和组件之间的设计及电感对单片机的影响很小。当单片机处于高频电路中时,分布式电容和布线组件系列电感会导致各种接地线之间耦合,此处应使用多点接地方式

4、。如果条件允许,接地线应尽可能宽,旁路电容器的接地线不应过长。如果电流信号较大,电流信号通过接地线,则需要增加接地线宽度。3单片机可靠性有限元仿真分析3.1 单片机模型的建立及网格划分单片机是可编程控制技术实现的基础,单片机内具有多种类型的电子元器件,主要有存储器、中断器、定时器、信号接口等。如果控制系统一直处于较大功率的状态下工作,单片机内部的电子元器件容易发生热失效现象。本文主要利用SolidWorks三维建模软件绘制了单片机的三维模型,为了便于开展单片机热失效的有限元仿真工作,对单片机三维模型不必要的特征进行了相应简化,其三维模型如图1所示。图1单片机三维模型单片机的三维模型建立完成后,

5、要对其进行网格划分。本文主要采用ANSYS有限元仿真软件内部的IneShing模块对单片机的三维模型进行网格划分,选用的网格类型为结构化网格,单片机的网格数为265872,网格划分图如图2所示。图2网格划分图3.2 边界条件的设置及求解计算假设单片机的发热功率为35Wm单片机的自然冷却散热速率为4W/而,当单片机工作的环境温度为20C时,单片机的温度分布云图如图3所示,当单片机工作的环境温度为38时,单片机的温度分布云图如图4所示。TemperatureType:TemperatureUn:Time:12020/6/2011:1436.945Max35.27433.60231.93130.25

6、928.58826.91625.24423.57321.901Min图3环境温度为20C时单片机的温度分布云图TemperatureType:TemperatureUnit:Time:12020/6/2011:1845.315Max42.70740.0993749234.88432.27729.66927.0612445421.846Min图4环境温度为38时单片机的温度分布云图由图3可知,在环境温度为20C时,单片机的最高温度为36.945,最高温度分布在单片机右侧,此时环境温度为常温,温度条件相对适宜,单片机出现热失效的可能性较低。当环境温度为38时,单片机的最高温度为45.315C,最高

7、温度同样分布在单片机右侧,此时环境温度为高温状态,温度条件相对恶劣,若不对单片机进行有效散热,将会降低单片机的可靠性,甚至会发生热失效的风险。为了提高单片机的可靠性,降低热失效风险,需对单片机进行降温,本文采用TEC半导体技术对单片机进行降温。单片机在采用TEC半导体制冷的状态下,在环境温度为20时,单片机最高温度为33.29,最高温度分布在单片机中间区域,此时环境温度较为适宜,单片机出现热失效的可能性较低。单片机在采用TEC半导体制冷的状态下,环境温度为38时,单片机的最高温度为39.23,最高温度分布在单片机中间区域,此时环境温度较为炎热,但不会发生热失效问题,有效保证了单片机的可靠性。4结语随着我国科学技术的快速发展,单片机被广泛应用于汽车制造、航天航空、机械电子、化工、人工智能等领域,单片机除了要满足特定应用领域的功能要求外,还必须保证单片机工作的可靠性。本文通过仿真分析,验证了单片机在TEC制冷状态下不会发生热失效的现象,证明了TEC半导体制冷技术的应用可以有效提高单片机的工作可靠性。

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