控制器用紅外接收頭的失效分析與研究
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甘 威（格力電器（合肥）有限公司，安徽 合肥 230088）
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202006/414831.htm摘 要：控制器使用紅外接收頭在實(shí)際應用中出現失效，故障現象表現為接收距離短，不接收等。經(jīng)分析主要為器件制造、過(guò)電、設計等多方面原因導致。本文從接收頭的構造、工作原理、失效機理、電路與器件的可靠性等方面進(jìn)行全面地分析、改善，有效解決了接收頭應用中可靠性的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：紅外接收；接收距離短；靜電損傷；金線(xiàn)斷；靈敏度；可靠性
1 接收頭的內部構造及其工作原理
紅外通信是利用紅外技術(shù)實(shí)現兩點(diǎn)間的近距離保密通信和信息轉發(fā)，一般由紅外發(fā)射和接收系統兩部分組成。發(fā)射系統對紅外輻射源進(jìn)行調制后發(fā)射紅外信號，而接收系統用光學(xué)裝置和紅外探測器進(jìn)行接收。紅外接收頭一般是接收、放大、解調一體頭，紅外信號經(jīng)接收頭解調后，數據0和1的區別通常體現在高、低電平的時(shí)間長(cháng)短或信號周期上，芯片解碼時(shí)，重點(diǎn)是找到數據0與1間的波形差別，芯片里需要相應的讀取程序。
1.1 紅外接收頭的性能
紅外遙控的特點(diǎn)是不影響周邊環(huán)境、不干擾其它電器設備。由于其無(wú)法穿透墻壁，故不同房間的家用電器可使用通用的遙控器而不會(huì )產(chǎn)生相互干擾；電路調試簡(jiǎn)單，只要按給定電路連接無(wú)誤，一般不需任何調試即可投入工作；編解碼容易，可進(jìn)行多路遙控。
由于各生產(chǎn)廠(chǎng)家生產(chǎn)了大量紅外遙控專(zhuān)用集成電路，需要時(shí)按圖索驥即可。紅外遙控在家用電器、室內近距離（<10 m）遙控中得到了廣泛的應用。在空調整機上，常用到遙控接收電路以接收遙控信號，遙控接收電路能在一定距離內接收紅外遙控發(fā)射器發(fā)出的脈沖編碼信號調制的紅外光，并將該光信號轉變成電信號，進(jìn)行放大、解調的裝置，稱(chēng)為紅外遙控接收頭。
1.2 紅外接收頭的內部構造
接收頭內部框架如圖1所示，主要包括接收、自動(dòng)增益調節、帶通濾波、控制、解調、放大6個(gè)部分。遙控接收頭內部含光敏元件，通過(guò)接收窗口接收某一頻率范圍的紅外線(xiàn)。當光敏元件接收到相應頻率的紅外線(xiàn)，產(chǎn)生電流，經(jīng)I-V電路轉換為電壓，濾波后，經(jīng)比較器輸出脈沖電壓，再經(jīng)內部三極管電平轉換，輸出脈沖信號送主芯片處理。
遙控接收頭對光信號的敏感區由于開(kāi)窗位置不同而有所不同，且不同角度和距離其接收效果也有所不同，一般地，光源與遙控接收頭接收面角度越接近直角，接收效果越好。
1.3 紅外接收頭的工作原理
紅外接收頭的種類(lèi)很多，引腳定義也不相同，一般都有3個(gè)引腳，包括供電腳、接地和信號輸出腳。根據發(fā)射端調制載波的不同應選用相應解調頻率的接收頭。接收頭實(shí)物圖如圖2所示。理論上，帶外殼的接收頭抗干擾性能優(yōu)于不帶外殼接收頭。成品紅外接收頭的封裝大致有兩種：鐵皮屏蔽和塑料封裝。均有三只引腳，即電源正（VDD或VCC）、電源地（GND）和數據輸出（VO或OUT）。
圖2 接收頭實(shí)物圖
成品紅外接收頭的優(yōu)點(diǎn)是不需要復雜的調試和外殼屏蔽，使用起來(lái)如同一只三極管，非常方便。但在使用時(shí)注意成品紅外接收頭的載波頻率。紅外遙控常用的載波頻率為38 kHz，這是由發(fā)射端所使用的455 kHz晶振來(lái)決定的。在發(fā)射端要對晶振進(jìn)行整數分頻，分頻系數一般取12，所以455 kHz÷12≈37.9 kHz≈38 kHz。也有一些遙控系統采用36 kHz、40 kHz、56 kHz等，一般由發(fā)射端晶振的振蕩頻率來(lái)決定。
紅外遙控系統主要分為調制、發(fā)射和接收三部分，如圖3 所示。要使機器正常工作，發(fā)送的命令必然要正確，遙控器上的按鍵眾多，每個(gè)按鍵都對應唯一的命令，要使接收機能正確識別出遙控器發(fā)出的命令，必然需要對命令進(jìn)行編碼。
不同廠(chǎng)家遙控器的編碼方式不一樣，主要的編碼有NEC碼、RC5碼、F碼等。接收頭將遙控器發(fā)過(guò)來(lái)的信號整理后，向主IC輸出脈沖信號，主IC將計算脈沖的長(cháng)度來(lái)識別信號的內容。完整的遙控器發(fā)射信號如圖4所示，經(jīng)過(guò)接收頭接收、解調、放大后輸出的波形將全部取反。
2 接收頭的失效原因及其失效機理分析
2.1 接收距離短失效分析
外觀(guān)設計改變導致遙控接收信號衰減，隨著(zhù)家用電器外觀(guān)設計的發(fā)展，一體化面板設計逐漸增多（圖5）。為了追求整機外觀(guān)更美觀(guān)的質(zhì)感，取消了專(zhuān)門(mén)的顯示鏡片。專(zhuān)門(mén)的顯示鏡片對接收頭的信號衰減較低，一體化面板材料對紅外線(xiàn)信號的衰減程度比之前的顯示面板可能超過(guò)50％。隨之而來(lái)就會(huì )出現接收不靈敏，以及接收距離短故障。
2.2 不接收失效分析
不接收故障主要是產(chǎn)品過(guò)電失效，以及產(chǎn)品在生產(chǎn)、測試篩選過(guò)程中導致的不良。通過(guò)對故障品的失效分析，找出故障原因，并制定相應整改措施，從設備、工藝方面改善，改善后制品使用效果良好。
2.2.1 接收頭內部晶圓過(guò)電損傷
測試不良品電源腳對地阻值偏小，X光檢查內部綁定無(wú)異常，進(jìn)一步對晶圓開(kāi)封，IC放大觀(guān)察，見(jiàn)圖6，發(fā)現IC線(xiàn)路上有過(guò)電損傷痕跡。分析芯片表面為受熱產(chǎn)生的燒傷痕跡，以此可以判斷靜電或帶電插拔導致IC過(guò)流或者過(guò)壓將芯片損傷。
1）靜電：人體靜電放電、設備靜電放電、原材料靜電放電都有可能對器件造成損傷。
2）帶電插拔：類(lèi)似于有電流流過(guò)的電感突然斷電，斷電時(shí)電感產(chǎn)生的電壓。U=L×di/dt，正比于電感感量和電流變化的速率，對于突然插拔電源插頭這種機械動(dòng)作，上式中的 di/dt 表明插拔速度越快，電流變化的速率就會(huì )越大，以至于產(chǎn)生負載的插頭處會(huì )產(chǎn)生較大的電壓，這個(gè)電壓會(huì )疊加到某個(gè)點(diǎn)而產(chǎn)生放電現象，這種放電電流很可能通過(guò)芯片，這個(gè)電壓首先會(huì )對電器造成損壞。
物料本身耐壓在設計初已提高，接收頭工作電壓為直流5 V，實(shí)際測試9 V無(wú)異常。對接收頭承載電壓沖擊性能進(jìn)行測試，數據顯示產(chǎn)品耐電壓沖擊較高，整改需要從單體物料以及應用電路上共同提高耐電壓性能。篩選10單樣品，測試電源與地之間的耐壓試驗，結果如下：
1）VCC測試（在接收頭VCC-GND之間加恒壓9 V，不限電流，15 s），接收頭100%合格；
2）VCC測試（在接收頭VCC-GND之間加恒壓10 V，不限電流，5 s），接收頭100%合格；
3）VCC測試（在接收頭VCC-GND之間加恒壓10 V，不限電流，10 s），接收頭36.7%概率燒毀；
4）VCC測試（在接收頭VCC-GND之間加恒壓11 V，不限電流，5 s），接收頭100%燒毀。
2.2.2 接收頭內部金線(xiàn)焊接不良
故障品解剖后，VCC電源腳D點(diǎn)金線(xiàn)斷開(kāi)，如圖7所示，不良原因確認為二焊點(diǎn)點(diǎn)膠時(shí)，PR定位位置選擇不當，導致點(diǎn)膠頭將金線(xiàn)壓斷。
針對金線(xiàn)壓斷，主要整改是改變點(diǎn)膠機的影像識別方法。之前的識別方法為通過(guò)識別圖8紅色線(xiàn)位置計算第二焊點(diǎn)坐標，現在改為通過(guò)識別2個(gè)管腳的位置（如圖8綠色線(xiàn)位置）來(lái)計算坐標，通過(guò)驗證該方法可以有效識別出管腳變形不良，從而杜絕斷線(xiàn)故障的發(fā)生。
2.2.3 產(chǎn)品測試未篩選出不良
產(chǎn)品出廠(chǎng)前廠(chǎng)家均為自動(dòng)機100%測試，查看故障品測試機測試電壓與其它測試機之間存在差異，故障測試機測試電壓為4.51 V，而其它測試機為4.8~5.15 V。正常測試電壓為5±0.5 V，故障測試機已經(jīng)偏管控下限，將此測試機測試電壓調整到4.8 V時(shí)，故障品測試為NG品。如圖9所示，將故障品從3~5 V按0.1 V遞增測試，返回品在≥4.7 V后無(wú)法正常輸出。
不良品的故障現象是：當電源電壓低于4.7 V時(shí)，脈沖可以有效輸出，電壓達到4.7 V時(shí)，輸出端沒(méi)有脈沖輸出，如圖10所示。分析是芯片的比較器基準電壓Vt1出現問(wèn)題所致。正常情況下，Vt1電壓會(huì )穩定在1.5 V，不良品在供電電壓高于4.7 V時(shí)，穩壓管擊穿；電壓過(guò)低，致使比較器無(wú)法正常工作，脈沖無(wú)法通過(guò)比較器正常輸出。
主要改善是改變測試方法，將生產(chǎn)過(guò)程故障品有效檢出，主要是以下兩種改善：
1)測試用兩種極限電壓4.5 V和5.5 V，增加對測試電壓的檢點(diǎn)次數，每批次測試開(kāi)始前用萬(wàn)用表驗證測試電壓是否準確，并做好記錄；
2)增加監控電源電壓的數字表頭，直接在測試設備顯示，隨時(shí)可以觀(guān)察測試電壓的數值。
3 電路設計核查分析
接收頭是集成度較高的元件，遙控接收電路如圖11所示，C2、C3為濾波電容，對電源進(jìn)行平滑濾波（提高抗干擾能力）。當接收到遙控信號時(shí)，將在signal處輸出邏輯電平信號，主IC將計算電平信號是否正確來(lái)做出反應。
遙控接收頭REC1實(shí)現光電轉換，將確定波長(cháng)的光信號轉換為可檢測的電信號。R1為上拉電阻；電解電容C2穩定遙控接收頭輸入電壓；瓷片電容C1濾除電源高頻干擾。
4 接收頭失效的解決方案
隨著(zhù)外觀(guān)設計改變，一體化面板的使用，隨之而來(lái)的紅外接收器的靈敏度需要進(jìn)一步提升，從而滿(mǎn)足遙控接收距離的要求。對于接收頭反應靈敏度，以及抗干擾、耐壓沖擊等性能，主要從以下幾方面改善提升。
4.1 增加限流電阻
對于產(chǎn)品本身實(shí)際應用生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)電隱患，對電路設計更改，對接收電路增加了限流電阻，快速釋放瞬間脈沖電荷，使電路更可靠。如圖12所示，在電路中VCC電源腳增加R3：150 Ω限流電阻；在接收頭信號輸出引腳至回路上增加R2：100 Ω限流電阻。增加的2個(gè)電阻用于預防出現的干擾及靜電，電阻限制了輸入遙控接收頭輸入與輸出腳端的電流。另外電阻R2和C1電容組成了RC濾波電路，對輸入到芯片的信號可以更好地濾波。
4.2 AGC控制優(yōu)化改善
在A(yíng)GC控制方面，進(jìn)行了優(yōu)化、調整，在有變頻器干擾的情況下使用可以保持高靈敏度。AGC是考量接收頭性能的1個(gè)重要指標，是保證接收頭輸出有效紅外信號、抑制干擾信號的主要組件，在A(yíng)GC設計上針對變頻器的干擾頻率、調制波形等進(jìn)行了有針對性的改良，即使在很強的變頻器干擾情況下也能穩定的工作，靈敏度方面有30％以上的提升。
4.3 紅外信號解調的方式調整
對紅外信號解調的方式上做了調整，對于窄脈沖干擾的抑制能力加強。如圖13所示，遙控器發(fā)射及接收頭對應輸出的波形，2個(gè)型號的接收頭在解碼方式上，紅圈內的參數有所不同（Td）。
Td是接收頭接收到遙控器發(fā)射的紅外信號后，由高電平轉為低電平的延遲時(shí)間（圖13以收到38 k脈沖個(gè)數計算），改善前產(chǎn)品是收到6個(gè)脈沖后即轉為低電平，而改善后產(chǎn)品要收到15個(gè)脈沖才轉換，這個(gè)設計參數保證改善后產(chǎn)品對窄脈沖干擾的抑制要明顯提高。
4.4 屏蔽罩改善
改善前產(chǎn)品采用翻蓋的屏蔽方式，改善后產(chǎn)品采用扣蓋的屏蔽方式，在接收角度上會(huì )有明顯的提升。
4.4.1 屏蔽罩正面改善
屏蔽方式的更改，如圖14所示，原屏蔽方式窗口有“+”字，對紅外信號有遮擋作用，PIN二極管收到的紅外信號被衰減，影響了靈敏度，改善成“一”字后，靈敏度會(huì )提升5%左右。更改后的屏蔽方式，去掉了屏蔽蓋上面的“1”字。
4.4.2 屏蔽罩側面改善
改善前屏蔽方式的側面阻擋了接收頭側面的受光，阻擋面積約1/3，影響了接收頭的受控角度。如圖15所示，新的屏蔽方式去掉了側面遮擋紅外光的部分，提升左右受控角度。
經(jīng)過(guò)以上改善，制品針對各角度接收、信號衰減方面明顯優(yōu)化加強，接收距離明顯提高，靈敏度更高，性能改善效果顯著(zhù)。
5 失效整改總結及意義
通過(guò)產(chǎn)品實(shí)際應用過(guò)程中的問(wèn)題反饋信息，本文從接收頭的失效機理、失效因素、應用電路，整機設計等多方面進(jìn)行分析，從單體物料，電路方面進(jìn)行優(yōu)化，顯著(zhù)提高抗干擾性能。
分析研究結果：隨著(zhù)器件應用環(huán)境的變化，提高接收頭的接收距離，以及各項性能參數，解決了器件在應用環(huán)境中工作可靠性問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)際應用取得顯著(zhù)效果。
參考文獻：
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?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第26頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）
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