摘 要：控制器使用红外接收头在实际应用中出现失效，故障现象表现为接收距离短，不接收等。经分析主要为器件制造、过电、设计等多方面原因导致。本文从接收头的构造、工作原理、失效机理、电路与器件的可靠性等方面进行全面地分析、改善，有效解决了接收头应用中可靠性的问题。

　　1 接收头的内部构造及其工作原理

　　红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发，一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收。红外接收头一般是接收、放大、解调一体头，红外信号经接收头解调后，数据0和1的区别通常体现在高、低电平的时间长短或信号周期上，芯片解码时，重点是找到数据0与1间的波形差别，芯片里需要相应的读取程序。

　　1.1 红外接收头的性能

　　红外遥控的特点是不影响周边环境、不干扰其它电器设备。由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。

　　由于各生产厂家生产了大量红外遥控专用集成电路，需要时按图索骥即可。红外遥控在家用电器、室内近距离（<10 m）遥控中得到了广泛的应用。在空调整机上，常用到遥控接收电路以接收遥控信号，遥控接收电路能在一定距离内接收红外遥控发射器发出的脉冲编码信号调制的红外光，并将该光信号转变成电信号，进行放大、解调的装置，称为红外遥控接收头。

　　1.2 红外接收头的内部构造

　　接收头内部框架如图1所示，主要包括接收、自动增益调节、带通滤波、控制、解调、放大6个部分。遥控接收头内部含光敏元件，通过接收窗口接收某一频率范围的红外线。当光敏元件接收到相应频率的红外线，产生电流，经I-V电路转换为电压，滤波后，经比较器输出脉冲电压，再经内部三极管电平转换，输出脉冲信号送主芯片处理。

　　遥控接收头对光信号的敏感区由于开窗位置不同而有所不同，且不同角度和距离其接收效果也有所不同，一般地，光源与遥控接收头接收面角度越接近直角，接收效果越好。

　　1.3 红外接收头的工作原理

　　红外接收头的种类很多，引脚定义也不相同，一般都有3个引脚，包括供电脚、接地和信号输出脚。根据发射端调制载波的不同应选用相应解调频率的接收头。接收头实物图如图2所示。理论上，带外壳的接收头抗干扰性能优于不带外壳接收头。成品红外接收头的封装大致有两种：铁皮屏蔽和塑料封装。均有三只引脚，即电源正（VDD或VCC）、电源地（GND）和数据输出（VO或OUT）。

图2 接收头实物图

　　成品红外接收头的优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽，使用起来如同一只三极管，非常方便。但在使用时注意成品红外接收头的载波频率。红外遥控常用的载波频率为38 kHz，这是由发射端所使用的455 kHz晶振来决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455 kHz÷12≈37.9 kHz≈38 kHz。也有一些遥控系统采用36 kHz、40 kHz、56 kHz等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定。

　　红外遥控系统主要分为调制、发射和接收三部分，如图3 所示。要使机器正常工作，发送的命令必然要正确，遥控器上的按键众多，每个按键都对应唯一的命令，要使接收机能正确识别出遥控器发出的命令，必然需要对命令进行编码。

　　不同厂家遥控器的编码方式不一样，主要的编码有NEC码、RC5码、F码等。接收头将遥控器发过来的信号整理后，向主IC输出脉冲信号，主IC将计算脉冲的长度来识别信号的内容。完整的遥控器发射信号如图4所示，经过接收头接收、解调、放大后输出的波形将全部取反。

　　2 接收头的失效原因及其失效机理分析

　　2.1 接收距离短失效分析

　　外观设计改变导致遥控接收信号衰减，随着家用电器外观设计的发展，一体化面板设计逐渐增多（图5）。为了追求整机外观更美观的质感，取消了专门的显示镜片。专门的显示镜片对接收头的信号衰减较低，一体化面板材料对红外线信号的衰减程度比之前的显示面板可能超过50％。随之而来就会出现接收不灵敏，以及接收距离短故障。

　　2.2 不接收失效分析

　　不接收故障主要是产品过电失效，以及产品在生产、测试筛选过程中导致的不良。通过对故障品的失效分析，找出故障原因，并制定相应整改措施，从设备、工艺方面改善，改善后制品使用效果良好。

　　2.2.1 接收头内部晶圆过电损伤

　　测试不良品电源脚对地阻值偏小，X光检查内部绑定无异常，进一步对晶圆开封，IC放大观察，见图6，发现IC线路上有过电损伤痕迹。分析芯片表面为受热产生的烧伤痕迹，以此可以判断静电或带电插拔导致IC过流或者过压将芯片损伤。

　　1）静电：人体静电放电、设备静电放电、原材料静电放电都有可能对器件造成损伤。

　　2）带电插拔：类似于有电流流过的电感突然断电，断电时电感产生的电压。U=L×di/dt，正比于电感感量和电流变化的速率，对于突然插拔电源插头这种机械动作，上式中的 di/dt 表明插拔速度越快，电流变化的速率就会越大，以至于产生负载的插头处会产生较大的电压，这个电压会叠加到某个点而产生放电现象，这种放电电流很可能通过芯片，这个电压首先会对电器造成损坏。

　　物料本身耐压在设计初已提高，接收头工作电压为直流5 V，实际测试9 V无异常。对接收头承载电压冲击性能进行测试，数据显示产品耐电压冲击较高，整改需要从单体物料以及应用电路上共同提高耐电压性能。筛选10单样品，测试电源与地之间的耐压试验，结果如下：

　　1）VCC测试（在接收头VCC-GND之间加恒压9 V，不限电流，15 s），接收头100%合格；

　　2）VCC测试（在接收头VCC-GND之间加恒压10 V，不限电流，5 s），接收头100%合格；

　　3）VCC测试（在接收头VCC-GND之间加恒压10 V，不限电流，10 s），接收头36.7%概率烧毁；

　　4）VCC测试（在接收头VCC-GND之间加恒压11 V，不限电流，5 s），接收头100%烧毁。

　　2.2.2 接收头内部金线焊接不良

　　故障品解剖后，VCC电源脚D点金线断开，如图7所示，不良原因确认为二焊点点胶时，PR定位位置选择不当，导致点胶头将金线压断。

　　针对金线压断，主要整改是改变点胶机的影像识别方法。之前的识别方法为通过识别图8红色线位置计算第二焊点坐标，现在改为通过识别2个管脚的位置（如图8绿色线位置）来计算坐标，通过验证该方法可以有效识别出管脚变形不良，从而杜绝断线故障的发生。

　　2.2.3 产品测试未筛选出不良

　　产品出厂前厂家均为自动机100%测试，查看故障品测试机测试电压与其它测试机之间存在差异，故障测试机测试电压为4.51 V，而其它测试机为4.8~5.15 V。正常测试电压为5±0.5 V，故障测试机已经偏管控下限，将此测试机测试电压调整到4.8 V时，故障品测试为NG品。如图9所示，将故障品从3~5 V按0.1 V递增测试，返回品在≥4.7 V后无法正常输出。

　　不良品的故障现象是：当电源电压低于4.7 V时，脉冲可以有效输出，电压达到4.7 V时，输出端没有脉冲输出，如图10所示。分析是芯片的比较器基准电压Vt1出现问题所致。正常情况下，Vt1电压会稳定在1.5 V，不良品在供电电压高于4.7 V时，稳压管击穿；电压过低，致使比较器无法正常工作，脉冲无法通过比较器正常输出。

　　主要改善是改变测试方法，将生产过程故障品有效检出，主要是以下两种改善：

　　1)测试用两种极限电压4.5 V和5.5 V，增加对测试电压的检点次数，每批次测试开始前用万用表验证测试电压是否准确，并做好记录；

　　2)增加监控电源电压的数字表头，直接在测试设备显示，随时可以观察测试电压的数值。

　　3 电路设计核查分析

　　接收头是集成度较高的元件，遥控接收电路如图11所示，C2、C3为滤波电容，对电源进行平滑滤波（提高抗干扰能力）。当接收到遥控信号时，将在signal处输出逻辑电平信号，主IC将计算电平信号是否正确来做出反应。

　　遥控接收头REC1实现光电转换，将确定波长的光信号转换为可检测的电信号。R1为上拉电阻；电解电容C2稳定遥控接收头输入电压；瓷片电容C1滤除电源高频干扰。

　　4 接收头失效的解决方案

　　随着外观设计改变，一体化面板的使用，随之而来的红外接收器的灵敏度需要进一步提升，从而满足遥控接收距离的要求。对于接收头反应灵敏度，以及抗干扰、耐压冲击等性能，主要从以下几方面改善提升。

　　4.1 增加限流电阻

　　对于产品本身实际应用生产过程中过电隐患，对电路设计更改，对接收电路增加了限流电阻，快速释放瞬间脉冲电荷，使电路更可靠。如图12所示，在电路中VCC电源脚增加R3：150 Ω限流电阻；在接收头信号输出引脚至回路上增加R2：100 Ω限流电阻。增加的2个电阻用于预防出现的干扰及静电，电阻限制了输入遥控接收头输入与输出脚端的电流。另外电阻R2和C1电容组成了RC滤波电路，对输入到芯片的信号可以更好地滤波。

　　4.2 AGC控制优化改善

　　在AGC控制方面，进行了优化、调整，在有变频器干扰的情况下使用可以保持高灵敏度。AGC是考量接收头性能的1个重要指标，是保证接收头输出有效红外信号、抑制干扰信号的主要组件，在AGC设计上针对变频器的干扰频率、调制波形等进行了有针对性的改良，即使在很强的变频器干扰情况下也能稳定的工作，灵敏度方面有30％以上的提升。

　　4.3 红外信号解调的方式调整

　　对红外信号解调的方式上做了调整，对于窄脉冲干扰的抑制能力加强。如图13所示，遥控器发射及接收头对应输出的波形，2个型号的接收头在解码方式上，红圈内的参数有所不同（Td）。

　　Td是接收头接收到遥控器发射的红外信号后，由高电平转为低电平的延迟时间（图13以收到38 k脉冲个数计算），改善前产品是收到6个脉冲后即转为低电平，而改善后产品要收到15个脉冲才转换，这个设计参数保证改善后产品对窄脉冲干扰的抑制要明显提高。

　　4.4 屏蔽罩改善

　　改善前产品采用翻盖的屏蔽方式，改善后产品采用扣盖的屏蔽方式，在接收角度上会有明显的提升。

　　4.4.1 屏蔽罩正面改善

　　屏蔽方式的更改，如图14所示，原屏蔽方式窗口有“+”字，对红外信号有遮挡作用，PIN二极管收到的红外信号被衰减，影响了灵敏度，改善成“一”字后，灵敏度会提升5%左右。更改后的屏蔽方式，去掉了屏蔽盖上面的“1”字。

　　4.4.2 屏蔽罩侧面改善

　　改善前屏蔽方式的侧面阻挡了接收头侧面的受光，阻挡面积约1/3，影响了接收头的受控角度。如图15所示，新的屏蔽方式去掉了侧面遮挡红外光的部分，提升左右受控角度。

　　经过以上改善，制品针对各角度接收、信号衰减方面明显优化加强，接收距离明显提高，灵敏度更高，性能改善效果显著。

　　5 失效整改总结及意义

　　通过产品实际应用过程中的问题反馈信息，本文从接收头的失效机理、失效因素、应用电路，整机设计等多方面进行分析，从单体物料，电路方面进行优化，显著提高抗干扰性能。

　　分析研究结果：随着器件应用环境的变化，提高接收头的接收距离，以及各项性能参数，解决了器件在应用环境中工作可靠性问题，经过实际应用取得显著效果。

　　参考文献：

　　[1] 安颖.红外遥控器在单片机控制系统中的应用[J].电子技术,2003(06).

　　[2] 胥加林.基于单片机的智能红外遥控开关[J].机械制造与自动化,2016(08).