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際應用中出現(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、過電、設(shè)計等多方面原因?qū)е隆１疚膹慕邮疹^的構(gòu)造、工作原理、失效機理、電路與器件的可靠性等方面進行全面地分析、改善，有效解決了接收頭應用中可靠性的問題。

　　關(guān)鍵詞：紅外接收；接收距離短；靜電損傷；金線斷；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)實現(xiàn)兩點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)對紅外輻射源進行調(diào)制后發(fā)射紅外信號，而接收系統(tǒng)用光學裝置和紅外探測器進行接收。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、低電平的時間長短或信號周期上，芯片解碼時，重點是找到數(shù)據(jù)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

　　紅外遙控的特點是不影響周邊環(huán)境、不干擾其它電器設(shè)備。由于其無法穿透墻壁，故不同房間的家用電器可使用通用的遙控器而不會產(chǎn)生相互干擾；電路調(diào)試簡單，只要按給定電路連接無誤，一般不需任何調(diào)試即可投入工作；編解碼容易，可進行多路遙控。

　　由于各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了大量紅外遙控專用集成電路，需要時按圖索驥即可。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用。在空調(diào)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(nèi)接收紅外遙控發(fā)射器發(fā)出的脈沖編碼信號調(diào)制的紅外光，并將該光信號轉(zhuǎn)變成電信號，進行放大、解調(diào)的裝置，稱為紅外遙控接收頭。

　　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、自動增益調(diào)節(jié)、帶通濾波、控制、解調(diào)、放大6個部分。遙控接收頭內(nèi)部含光敏元件，通過接收窗口接收某一頻率范圍的紅外線。當光敏元件接收到相應頻率的紅外線，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，輸出脈沖信號送主芯片處理。

　　遙控接收頭對光信號的敏感區(qū)由于開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

　　紅外接收頭的種類很多，引腳定義也不相同，一般都有3個引腳，包括供電腳、接地和信號輸出腳。根據(jù)發(fā)射端調(diào)制載波的不同應選用相應解調(diào)頻率的接收頭。接收頭實物圖如圖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 接收頭實物圖

　　成品紅外接收頭的優(yōu)點是不需要復雜的調(diào)試和外殼屏蔽，使用起來如同一只三極管，非常方便。但在使用時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晶振來決定的。在發(fā)射端要對晶振進行整數(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，必然需要對命令進行編碼。

　　不同廠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)過來的信號整理后，向主IC輸出脈沖信號，主IC將計算脈沖的長度來識別信號的內(nèi)容。完整的遙控器發(fā)射信號如圖4所示，經(jīng)過接收頭接收、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理分析

　　2.1 接收距離短失效分析

　　外觀設(shè)計改變導致遙控接收信號衰減，隨著家用電器外觀設(shè)計的發(fā)展，一體化面板設(shè)計逐漸增多（圖5）。為了追求整機外觀更美觀的質(zhì)感，取消了專門的顯示鏡片。專門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信號的衰減程度比之前的顯示面板可能超過50％。隨之而來就會出現(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)品過電失效，以及產(chǎn)品在生產(chǎn)、測試篩選過程中導致的不良。通過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(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)部晶圓過電損傷

　　測試不良品電源腳對地阻值偏小，X光檢查內(nèi)部綁定無異常，進一步對晶圓開封，IC放大觀察，見圖6，發(fā)現(xiàn)IC線路上有過電損傷痕跡。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過流或者過壓將芯片損傷。

　　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器件造成損傷。

　　2）帶電插拔：類似于有電流流過的電感突然斷電，斷電時電感產(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作，上式中的 di/dt 表明插拔速度越快，電流變化的速率就會越大，以至于產(chǎn)生負載的插頭處會產(chǎn)生較大的電壓，這個電壓會疊加到某個點而產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這種放電電流很可能通過芯片，這個電壓首先會對電器造成損壞。

　　物料本身耐壓在設(shè)計初已提高，接收頭工作電壓為直流5 V，實際測試9 V無異常。對接收頭承載電壓沖擊性能進行測試，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(jié)果如下：

　　1）V_CC測試（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)部金線焊接不良

　　故障品解剖后，V_CC電源腳D點金線斷開，如圖7所示，不良原因確認為二焊點點膠時，PR定位位置選擇不當，導致點膠頭將金線壓斷。

　　針對金線壓斷，主要整改是改變點膠機的影像識別方法。之前的識別方法為通過識別圖8紅色線位置計算第二焊點坐標，現(xiàn)在改為通過識別2個管腳的位置（如圖8綠色線位置）來計算坐標，通過驗證該方法可以有效識別出管腳變形不良，從而杜絕斷線故障的發(fā)生。

　　2.2.3 產(chǎn)品測試未篩選出不良

　　產(chǎn)品出廠前廠家均為自動機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(diào)整到4.8 V時，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后無法正常輸出。

　　不良品的故障現(xiàn)象是：當電源電壓低于4.7 V時，脈沖可以有效輸出，電壓達到4.7 V時，輸出端沒有脈沖輸出，如圖10所示。分析是芯片的比較器基準電壓Vt1出現(xiàn)問題所致。正常情況下，Vt1電壓會穩(wěn)定在1.5 V，不良品在供電電壓高于4.7 V時，穩(wěn)壓管擊穿；電壓過低，致使比較器無法正常工作，脈沖無法通過比較器正常輸出。

　　主要改善是改變測試方法，將生產(chǎn)過程故障品有效檢出，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次數(shù)，每批次測試開始前用萬用表驗證測試電壓是否準確，并做好記錄；

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

　　3 電路設(shè)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，對電源進行平滑濾波（提高抗干擾能力）。當接收到遙控信號時，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做出反應。

　　遙控接收頭REC1實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，將確定波長的光信號轉(zhuǎn)換為可檢測的電信號。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)計改變，一體化面板的使用，隨之而來的紅外接收器的靈敏度需要進一步提升，從而滿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)品本身實際應用生產(chǎn)過程中過電隱患，對電路設(shè)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V_CC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個電阻用于預防出現(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AGC控制方面，進行了優(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AGC設(shè)計上針對變頻器的干擾頻率、調(diào)制波形等進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(wěn)定的工作，靈敏度方面有30％以上的提升。

　　4.3 紅外信號解調(diào)的方式調(diào)整

　　對紅外信號解調(diào)的方式上做了調(diào)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個型號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)射的紅外信號后，由高電平轉(zhuǎn)為低電平的延遲時間（圖13以收到38 k脈沖個數(shù)計算），改善前產(chǎn)品是收到6個脈沖后即轉(zhuǎn)為低電平，而改善后產(chǎn)品要收到15個脈沖才轉(zhuǎn)換，這個設(shè)計參數(shù)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。

　　5 失效整改總結(jié)及意義

　　通過產(chǎn)品實際應用過程中的問題反饋信息，本文從接收頭的失效機理、失效因素、應用電路，整機設(shè)計等多方面進行分析，從單體物料，電路方面進行優(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(shù)，解決了器件在應用環(huán)境中工作可靠性問題，經(jīng)過實際應用取得顯著效果。

　　參考文獻：

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　?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a(chǎn)品世界》2020年第07期第26頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）