控制器用紅外接收頭的失效分析與研究

　　甘 威（格力電器（合肥）有限公司，安徽 合肥 230088）

　　摘 要：控制器使用紅外接收頭在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)失效，故障現(xiàn)象表現(xiàn)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(shè)計(jì)等多方面原因?qū)е?。本文從接收頭的構(gòu)造、工作原理、失效機(jī)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(yīng)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(nèi)部構(gòu)造及其工作原理

　　紅外通信是利用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的近距離保密通信和信息轉(zhuǎn)發(fā)，一般由紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)兩部分組成。發(fā)射系統(tǒng)對(duì)紅外輻射源進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射紅外信號(hào)，而接收系統(tǒng)用光學(xué)裝置和紅外探測(cè)器進(jìn)行接收。紅外接收頭一般是接收、放大、解調(diào)一體頭，紅外信號(hào)經(jīng)接收頭解調(diào)后，數(shù)據(jù)0和1的區(qū)別通常體現(xiàn)在高、低電平的時(shí)間長(zhǎng)短或信號(hào)周期上，芯片解碼時(shí)，重點(diǎn)是找到數(shù)據(jù)0與1間的波形差別，芯片里需要相應(yīng)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(shè)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(diào)試簡(jiǎn)單，只要按給定電路連接無(wú)誤，一般不需任何調(diào)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(nèi)近距離（<10 m）遙控中得到了廣泛的應(yīng)用。在空調(diào)整機(jī)上，常用到遙控接收電路以接收遙控信號(hào)，遙控接收電路能在一定距離內(nèi)接收紅外遙控發(fā)射器發(fā)出的脈沖編碼信號(hào)調(diào)制的紅外光，并將該光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，進(jìn)行放大、解調(diào)的裝置，稱(chēng)為紅外遙控接收頭。

　　1.2 紅外接收頭的內(nèi)部構(gòu)造

　　接收頭內(nèi)部框架如圖1所示，主要包括接收、自動(dòng)增益調(diào)節(jié)、帶通濾波、控制、解調(diào)、放大6個(gè)部分。遙控接收頭內(nèi)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(dāng)光敏元件接收到相應(yīng)頻率的紅外線(xiàn)，產(chǎn)生電流，經(jīng)I-V電路轉(zhuǎn)換為電壓，濾波后，經(jīng)比較器輸出脈沖電壓，再經(jīng)內(nèi)部三極管電平轉(zhuǎn)換，輸出脈沖信號(hào)送主芯片處理。

　　遙控接收頭對(duì)光信號(hào)的敏感區(qū)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(hào)輸出腳。根據(jù)發(fā)射端調(diào)制載波的不同應(yīng)選用相應(yīng)解調(diào)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（V_DD或V_CC）、電源地（GND）和數(shù)據(jù)輸出（V_O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(fù)雜的調(diào)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(duì)晶振進(jìn)行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取12，所以455 kHz÷12≈37.9 kHz≈38 kHz。也有一些遙控系統(tǒng)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(tǒng)主要分為調(diào)制、發(fā)射和接收三部分，如圖3 所示。要使機(jī)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(duì)應(yīng)唯一的命令，要使接收機(jī)能正確識(shí)別出遙控器發(fā)出的命令，必然需要對(duì)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(hào)整理后，向主IC輸出脈沖信號(hào)，主IC將計(jì)算脈沖的長(zhǎng)度來(lái)識(shí)別信號(hào)的內(nèi)容。完整的遙控器發(fā)射信號(hào)如圖4所示，經(jīng)過(guò)接收頭接收、解調(diào)、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(jī)理分析

　　2.1 接收距離短失效分析

　　外觀設(shè)計(jì)改變導(dǎo)致遙控接收信號(hào)衰減，隨著家用電器外觀設(shè)計(jì)的發(fā)展，一體化面板設(shè)計(jì)逐漸增多（圖5）。為了追求整機(jī)外觀更美觀的質(zhì)感，取消了專(zhuān)門(mén)的顯示鏡片。專(zhuān)門(mén)的顯示鏡片對(duì)接收頭的信號(hào)衰減較低，一體化面板材料對(duì)紅外線(xiàn)信號(hào)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(xiàn)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(cè)試篩選過(guò)程中導(dǎo)致的不良。通過(guò)對(duì)故障品的失效分析，找出故障原因，并制定相應(yīng)整改措施，從設(shè)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(nèi)部晶圓過(guò)電損傷

　　測(cè)試不良品電源腳對(duì)地阻值偏小，X光檢查內(nèi)部綁定無(wú)異常，進(jìn)一步對(duì)晶圓開(kāi)封，IC放大觀察，見(jiàn)圖6，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)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(shè)備靜電放電、原材料靜電放電都有可能對(duì)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(duì)于突然插拔電源插頭這種機(jī)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(fù)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(xiàn)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(duì)電器造成損壞。

　　物料本身耐壓在設(shè)計(jì)初已提高，接收頭工作電壓為直流5 V，實(shí)際測(cè)試9 V無(wú)異常。對(duì)接收頭承載電壓沖擊性能進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)顯示產(chǎn)品耐電壓沖擊較高，整改需要從單體物料以及應(yīng)用電路上共同提高耐電壓性能。篩選10單樣品，測(cè)試電源與地之間的耐壓試驗(yàn)，結(jié)果如下：

　　1）V_CC測(cè)試（在接收頭V_CC-GND之間加恒壓9 V，不限電流，15 s），接收頭100%合格；

　　2）V_CC測(cè)試（在接收頭V_CC-GND之間加恒壓10 V，不限電流，5 s），接收頭100%合格；

　　3）V_CC測(cè)試（在接收頭V_CC-GND之間加恒壓10 V，不限電流，10 s），接收頭36.7%概率燒毀；

　　4）V_CC測(cè)試（在接收頭V_CC-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(nèi)部金線(xiàn)焊接不良

　　故障品解剖后，V_CC電源腳D點(diǎn)金線(xiàn)斷開(kāi)，如圖7所示，不良原因確認(rèn)為二焊點(diǎn)點(diǎn)膠時(shí)，PR定位位置選擇不當(dāng)，導(dǎo)致點(diǎn)膠頭將金線(xiàn)壓斷。

　　針對(duì)金線(xiàn)壓斷，主要整改是改變點(diǎn)膠機(jī)的影像識(shí)別方法。之前的識(shí)別方法為通過(guò)識(shí)別圖8紅色線(xiàn)位置計(jì)算第二焊點(diǎn)坐標(biāo)，現(xiàn)在改為通過(guò)識(shí)別2個(gè)管腳的位置（如圖8綠色線(xiàn)位置）來(lái)計(jì)算坐標(biāo)，通過(guò)驗(yàn)證該方法可以有效識(shí)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(cè)試未篩選出不良

　　產(chǎn)品出廠(chǎng)前廠(chǎng)家均為自動(dòng)機(jī)100%測(cè)試，查看故障品測(cè)試機(jī)測(cè)試電壓與其它測(cè)試機(jī)之間存在差異，故障測(cè)試機(jī)測(cè)試電壓為4.51 V，而其它測(cè)試機(jī)為4.8~5.15 V。正常測(cè)試電壓為5±0.5 V，故障測(cè)試機(jī)已經(jīng)偏管控下限，將此測(cè)試機(jī)測(cè)試電壓調(diào)整到4.8 V時(shí)，故障品測(cè)試為NG品。如圖9所示，將故障品從3~5 V按0.1 V遞增測(cè)試，返回品在≥4.7 V后無(wú)法正常輸出。

　　不良品的故障現(xiàn)象是：當(dāng)電源電壓低于4.7 V時(shí)，脈沖可以有效輸出，電壓達(dá)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(zhǔn)電壓Vt1出現(xiàn)問(wèn)題所致。正常情況下，Vt1電壓會(huì)穩(wěn)定在1.5 V，不良品在供電電壓高于4.7 V時(shí)，穩(wěn)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(cè)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(cè)試用兩種極限電壓4.5 V和5.5 V，增加對(duì)測(cè)試電壓的檢點(diǎn)次數(shù)，每批次測(cè)試開(kāi)始前用萬(wàn)用表驗(yàn)證測(cè)試電壓是否準(zhǔn)確，并做好記錄；

　　2)增加監(jiān)控電源電壓的數(shù)字表頭，直接在測(cè)試設(shè)備顯示，隨時(shí)可以觀察測(cè)試電壓的數(shù)值。

　　3 電路設(shè)計(jì)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(duì)電源進(jìn)行平滑濾波（提高抗干擾能力）。當(dāng)接收到遙控信號(hào)時(shí)，將在signal處輸出邏輯電平信號(hào)，主IC將計(jì)算電平信號(hào)是否正確來(lái)做出反應(yīng)。

　　遙控接收頭REC1實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，將確定波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的電信號(hào)。R1為上拉電阻；電解電容C2穩(wěn)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

　　隨著外觀設(shè)計(jì)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(duì)于接收頭反應(yīng)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(duì)于產(chǎn)品本身實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)電隱患，對(duì)電路設(shè)計(jì)更改，對(duì)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V_CC電源腳增加R3：150 Ω限流電阻；在接收頭信號(hào)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(yù)防出現(xiàn)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(duì)輸入到芯片的信號(hào)可以更好地濾波。

　　4.2 AGC控制優(yōu)化改善

　　在AGC控制方面，進(jìn)行了優(yōu)化、調(diào)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(biāo)，是保證接收頭輸出有效紅外信號(hào)、抑制干擾信號(hào)的主要組件，在AGC設(shè)計(jì)上針對(duì)變頻器的干擾頻率、調(diào)制波形等進(jìn)行了有針對(duì)性的改良，即使在很強(qiáng)的變頻器干擾情況下也能穩(wěn)定的工作，靈敏度方面有30％以上的提升。

　　4.3 紅外信號(hào)解調(diào)的方式調(diào)整

　　對(duì)紅外信號(hào)解調(diào)的方式上做了調(diào)整，對(duì)于窄脈沖干擾的抑制能力加強(qiáng)。如圖13所示，遙控器發(fā)射及接收頭對(duì)應(yīng)輸出的波形，2個(gè)型號(hào)的接收頭在解碼方式上，紅圈內(nèi)的參數(shù)有所不同（Td）。

　　Td是接收頭接收到遙控器發(fā)射的紅外信號(hào)后，由高電平轉(zhuǎn)為低電平的延遲時(shí)間（圖13以收到38 k脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算），改善前產(chǎn)品是收到6個(gè)脈沖后即轉(zhuǎn)為低電平，而改善后產(chǎn)品要收到15個(gè)脈沖才轉(zhuǎn)換，這個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)保證改善后產(chǎn)品對(duì)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(duì)紅外信號(hào)有遮擋作用，PIN二極管收到的紅外信號(hào)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(cè)面改善

　　改善前屏蔽方式的側(cè)面阻擋了接收頭側(cè)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(cè)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(duì)各角度接收、信號(hào)衰減方面明顯優(yōu)化加強(qiáng)，接收距離明顯提高，靈敏度更高，性能改善效果顯著。

　　5 失效整改總結(jié)及意義

　　通過(guò)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題反饋信息，本文從接收頭的失效機(jī)理、失效因素、應(yīng)用電路，整機(jī)設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行分析，從單體物料，電路方面進(jìn)行優(yōu)化，顯著提高抗干擾性能。

　　分析研究結(jié)果：隨著器件應(yīng)用環(huán)境的變化，提高接收頭的接收距離，以及各項(xiàng)性能參數(shù)，解決了器件在應(yīng)用環(huán)境中工作可靠性問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用取得顯著效果。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2] 胥加林.基于單片機(jī)的智能紅外遙控開(kāi)關(guān)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2016(08).

　　（注：本文來(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。）