基于ANSYS的單片機可靠性仿真分析

摘要：簡要分析了單片機工作可靠性低的原因，并據此提出了有效的解決措施。利用有限元仿真軟件ANSYS，對單片機的熱失效現象進行了仿真分析，為相關技術人員提供了一定的參考。

關鍵詞：單片機;可靠性;存儲器;有限元;熱失效

0 引言

單片機種類較多，不同的應用場合會根據單片機的特點選用相應的類型，但是不管何種類型的單片機，都會在工作過程中產生熱量，尤其是在炎熱的夏季，當單片機在大功率狀態下工作時，很容易出現熱失效的現象，從而影響單片機的工作穩定性。本文利用有限元仿真軟件ANSYS，優化單片機的發熱量，避免出現熱失效的現象，從而提高單片機的工作可靠性。

1 單片機工作可靠性低的原因

1.1? ? 內部原因

如果凍結了單片機，單片機上的隨機存儲數據會導致程序無限循環，使單片機的內部程序指針混亂，隨機指向錯誤位置，導致正在運行的程序不準確，破壞隨機存儲器中的某些數據，并產生錯誤的程序計算結果。外圍鎖存電路如果受到影響，也會導致單片機出現故障，使單片機的控制目標與鎖存電路之間的線路被打亂。

1.2? ? 外部原因

單片機本身沒有足夠的抗干擾能力，而單片機所處的工作環境具有很強的電磁干擾。與此同時，單片機沒有足夠的抗電源干擾保護，其運行功率太低，缺少單芯片編程或抗干擾等提高自身可靠性的設計。單片機驅動力太小，導致許多外部因素都能降低單片機的穩定性和可靠性。單片機進行遠距離數據傳輸時，缺乏相應的數據屏蔽防護措施。

2 提高單片機工作可靠性的措施

2.1? ? 電源干擾

功率干擾已成為影響單片機可靠性的最重要因素之一。相關研究表明，單片機的90%或更多故障中都是由電源噪聲引起的。交流電源會對單片機產生干擾。在正常情況下，220 V、50 Hz電源是單片機的使用電源，為了提高單片機可靠性，還需要使用電源濾波器、交流穩壓器或隔離變壓器。通常情況下，單片機應用系統可以使用多個處于不同電壓、電平的直流電源。

2.2? ? 接地線干擾

在整個單片機系統中，接地質量對單片機工作的可靠性有很大影響。當單片機在低頻電路中時，布線和組件之間的設計及電感對單片機的影響很小。當單片機處于高頻電路中時，分布式電容和布線組件系列電感會導致各種接地線之間耦合，此處應使用多點接地方式。如果條件允許，接地線應盡可能寬，旁路電容器的接地線不應過長。如果電流信號較大，電流信號通過接地線，則需要增加接地線寬度。

3 單片機可靠性有限元仿真分析

3.1? ? 單片機模型的建立及網格劃分

單片機是可編程控制技術實現的基礎，單片機內具有多種類型的電子元器件，主要有存儲器、中斷器、定時器、信號接口等。如果控制系統一直處于較大功率的狀態下工作，單片機內部的電子元器件容易發生熱失效現象。本文主要利用SolidWorks三維建模軟件繪制了單片機的三維模型，為了便于開展單片機熱失效的有限元仿真工作，對單片機三維模型不必要的特征進行了相應簡化，其三維模型如圖1所示。

單片機的三維模型建立完成后，要對其進行網格劃分。本文主要采用ANSYS有限元仿真軟件內部的meshing模塊對單片機的三維模型進行網格劃分，選用的網格類型為結構化網格，單片機的網格數為265 872，網格劃分圖如圖2所示。

3.2? ? 邊界條件的設置及求解計算

假設單片機的發熱功率為35 W/m3，單片機的自然冷卻散熱速率為4 W/m2，當單片機工作的環境溫度為20 ℃時，單片機的溫度分布云圖如圖3所示，當單片機工作的環境溫度為38 ℃時，單片機的溫度分布云圖如圖4所示。

由圖3可知，在環境溫度為20 ℃時，單片機的最高溫度為36.945 ℃，最高溫度分布在單片機右側，此時環境溫度為常溫，溫度條件相對適宜，單片機出現熱失效的可能性較低。

當環境溫度為38 ℃時，單片機的最高溫度為45.315 ℃，最高溫度同樣分布在單片機右側，此時環境溫度為高溫狀態，溫度條件相對惡劣，若不對單片機進行有效散熱，將會降低單片機的可靠性，甚至會發生熱失效的風險。

為了提高單片機的可靠性，降低熱失效風險，需對單片機進行降溫，本文采用TEC半導體技術對單片機進行降溫。單片機在采用TEC半導體制冷的狀態下，在環境溫度為20 ℃時，單片機最高溫度為33.29 ℃，最高溫度分布在單片機中間區域，此時環境溫度較為適宜，單片機出現熱失效的可能性較低。單片機在采用TEC半導體制冷的狀態下，環境溫度為38 ℃時，單片機的最高溫度為39.23 ℃，最高溫度分布在單片機中間區域，此時環境溫度較為炎熱，但不會發生熱失效問題，有效保證了單片機的可靠性。

4 結語

隨著我國科學技術的快速發展，單片機被廣泛應用于汽車制造、航天航空、機械電子、化工、人工智能等領域，單片機除了要滿足特定應用領域的功能要求外，還必須保證單片機工作的可靠性。本文通過仿真分析，驗證了單片機在TEC制冷狀態下不會發生熱失效的現象，證明了TEC半導體制冷技術的應用可以有效提高單片機的工作可靠性。

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：機電一體化技術、計算機應用。