基于ANSYS的单片机可靠性仿真分析

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

0 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，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 提高单片机工作可靠性的措施

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，220 V、50 Hz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。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，主要有存儲器、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。

单片机的三维模型建立完成后，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meshing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265 872，网格划分图如图2所示。

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35 W/m3，单片机的自然冷却散热速率为4 W/m2，当单片机工作的环境温度为20 ℃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。

由图3可知，在环境温度为20 ℃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45.315 ℃，最高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。

收稿日期：2020-07-01

作者简介：王军亚（1974—），男，河南商水人，讲师，研究方向：机电一体化技术、计算机应用。