電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)方法

    1.可靠性預(yù)計(jì)

　　電子設(shè)備的最大特點(diǎn)是其元器件壽命服從指數(shù)分布，即故障率為常數(shù)。所以，可用公式

預(yù)計(jì)其可靠性指標(biāo)。

    電子設(shè)備均是由電阻、電容、二極管、三極管、集成電路等標(biāo)準(zhǔn)化程度很高的電子元器件組成，而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)元器件現(xiàn)已積累了大量的試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，已有成熟的預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)。對(duì)于國(guó)產(chǎn)電子元器件，可采用國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299A—91《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行預(yù)計(jì)；而對(duì)于進(jìn)口電子元器件，則可采用美國(guó)軍標(biāo)MIL-HDBK-217E《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)》進(jìn)行預(yù)計(jì)。

    （1）元件計(jì)數(shù)法   這種方法適用于方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。其通用計(jì)算公式為

式中  λs——系統(tǒng)的總故障率（l/h）；
      λgi——第i種元器件的通用故障率（l/h）；
      πqi——第i種元器件的通用質(zhì)量系數(shù)；
      Ni——第i種元器件的數(shù)量；
      n——設(shè)備所用元器件的種類數(shù)目。

    （2）元器件應(yīng)力分析法   適用于電子設(shè)備詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，此時(shí)已具備了詳細(xì)的元器件清單、電應(yīng)力比、環(huán)境溫度等信息。這種方法的預(yù)計(jì)結(jié)果比計(jì)數(shù)法要準(zhǔn)確些。但計(jì)算比較繁瑣。其計(jì)算公式為
  λp=λb（πeπqπrπaπsπc）式中  λp——元器件工作故障率（l/h）；
      λb——元器件基本故障率（l/h）；
      πe——環(huán)境系數(shù)；
      πq——質(zhì)量系數(shù)；
      πr——電流額定值系數(shù)；
      πa——應(yīng)用系數(shù)；
      πs——電壓應(yīng)力系數(shù)；
      πc——配置系數(shù)。

    然后按下式求得系統(tǒng)的故障率（λs）：

式中  λpi——第i種元器件的故障率（l/h）；
      Ni——第i種元器件的數(shù)量；
      N——系統(tǒng)中元器件種類數(shù)。

    2.元器件的選擇與控制

    電子元器件的選擇與控制是保證系統(tǒng)固有可靠性、減少元器件規(guī)格品種、降低保障費(fèi)用的有效措施。

    應(yīng)根據(jù)電子設(shè)備可靠性要求確定本企業(yè)在元器件的選擇與控制中應(yīng)采取的具體措施。一般情況下，注意做到：

    1）建立元器件選用的控制機(jī)構(gòu)；
    2）制定元器件控制方案，控制標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)元器件的使用，擬定元器件優(yōu)選清單；
    3）對(duì)轉(zhuǎn)承制方的元器件選用進(jìn)行控制；
    4）進(jìn)行必要的應(yīng)力篩選。具體的篩選方法可參閱本書6.2節(jié)。

    3.降額設(shè)計(jì)

    降額設(shè)計(jì)是使電子元器件的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谄湟?guī)定的額定值，從而達(dá)到降低基本故障率，保證系統(tǒng)可靠性的目的。電子元器件的故障率對(duì)電應(yīng)力和溫度應(yīng)力比較敏感，因此降額設(shè)計(jì)是電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)中的最常用的方法。

    各類電子元器件，都有其最佳的降額范圍。此時(shí)，工作應(yīng)力的變化對(duì)其失效率有明顯的影響，設(shè)計(jì)上也容易實(shí)現(xiàn)，并且在設(shè)備體積、重量和成本方面不會(huì)付出太大的代價(jià)。

    在電子元器件的最佳降額范圍內(nèi)，一般可分成三個(gè)降額等級(jí)：

    1）Ⅰ級(jí)降額。級(jí)降額是最大的降額，適用于設(shè)備故障將會(huì)危及安全，導(dǎo)致任務(wù)失敗和造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的情況。
    2）Ⅱ級(jí)降額。
    3）Ⅲ級(jí)降額。Ⅲ級(jí)降額是最小的降額，這種降額的可靠性增長(zhǎng)效果和所花費(fèi)的代價(jià)相比是最高的。

    4.熱設(shè)計(jì)

    電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是：通過(guò)熱設(shè)計(jì)在滿足性能要求的前提下盡可能減少設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量；減少熱阻；選擇合理的冷卻方式。
    熱設(shè)計(jì)的基本程序是：

    1）首先明確設(shè)計(jì)條件，如設(shè)備的功耗、發(fā)熱量、容許溫升、設(shè)備外形尺寸、設(shè)備放置的環(huán)境條件等；
    2）決定設(shè)備的冷卻方式，并檢查是否滿足原始條件；
    3）分別對(duì)元件、線路、印制電路板和機(jī)箱進(jìn)行熱設(shè)計(jì)；
    4）按熱設(shè)計(jì)檢查表進(jìn)行檢查，確定是否滿足設(shè)計(jì)要求。

    5.冗余設(shè)計(jì)

    冗余是指系統(tǒng)或設(shè)備中具有多于一種手段執(zhí)行同一種規(guī)定功能的能力。設(shè)置冗余可提高系統(tǒng)的可靠性，但同時(shí)又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性、重量和體積。一種工程經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為：采用更可靠的元器件、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降額設(shè)計(jì)等方法仍不能滿足系統(tǒng)可靠性要求時(shí)才考慮采用冗余。另一種工程經(jīng)驗(yàn)則認(rèn)為：當(dāng)經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度都有限止時(shí)，采用成熟設(shè)計(jì)的冗余技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高可靠性的有效途徑。因此，是否采用冗余全視具體場(chǎng)合而定。

    冗余并非適用于所有的場(chǎng)合，一般在低層次和關(guān)鍵關(guān)節(jié)的情況下使用可獲得較好的效果。同時(shí)，還需注意，某些冗余技術(shù)的采用需增加若干故障檢測(cè)和冗余通道切換裝置，它們的失效率應(yīng)遠(yuǎn)低于受控部分時(shí)，才能發(fā)揮冗余技術(shù)的優(yōu)越性。
 
　　冗余設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：

    1）確定冗余等級(jí)；
    2）選定冗余類型；
    3）確定冗余配置方案；
    4）確定冗余管理方案。

    6.電磁兼容設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的電磁兼容性的定義為：系統(tǒng)所有的電氣及電子系統(tǒng)，包括其分系統(tǒng)、儀器、設(shè)備、組件、元件等，在執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)時(shí)遇到的各種電磁環(huán)境（系統(tǒng)內(nèi)部的、外部的、人為的及天然的）中，其性能不降低、參數(shù)不超出容許的上下限，而仍能協(xié)調(diào)地、有效地工作的能力。

    隨著技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)日趨復(fù)雜，電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用及電子電路集成度的提高，電磁兼容性問(wèn)題也日趨嚴(yán)重，這已日益成為人們的共識(shí)。一個(gè)可靠的系統(tǒng)，在規(guī)定的條件下，在任何工作時(shí)間里，必須保持電磁兼容，否則表明系統(tǒng)存在故障，因而是不可靠的。

    電磁干擾主要有三個(gè)來(lái)源：功能干擾源、非功能干擾源和自然干擾源。如按傳播途徑分類可分為傳導(dǎo)干擾源和輻射干擾源。若按頻帶分類則可分為窄頻帶干擾和寬頻帶干擾。

    為了使系統(tǒng)能具有電磁兼容，在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)，要注意解決好下列問(wèn)題：頻率和頻譜的選擇、信號(hào)電平的選擇、阻抗的選擇、儀器及電路的布置。在電磁兼容設(shè)計(jì)中，要在接地與搭接、屏蔽、濾波、電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)、儀器電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和零組件及其工藝、防靜電等方面采取措施。最后，還必須進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試驗(yàn)證。

    7.容差分析

    電子元器件和電路的容差分析是作為一個(gè)可靠性工作項(xiàng)目列入國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 450—88《裝備研制與生產(chǎn)的可靠性通用大綱》的。其目的是為了保證電路的輸出或設(shè)備的參數(shù)都能保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。這種分析主要是考慮制造的離散性及溫度、退化等因素對(duì)元器件參數(shù)變化的影響。

    隨著健壯性設(shè)計(jì)方法的推廣，現(xiàn)今已將容差分析作為三次設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)的一部分來(lái)進(jìn)行。有關(guān)三次設(shè)計(jì)的基本原理可參閱本章5.8節(jié)“健壯設(shè)計(jì)”。

    8.潛電路分析

    所謂潛電路指的是：某種條件下，電路中產(chǎn)生的不希望有的通路。它的存在會(huì)引起功能異?；蛞种普９δ?。潛電路分析的目的是：在假定所有組件均正常工作的情況下，分析哪些是能引起功能異?；蛞种普９δ艿臐撛陔娐?，從而為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

    為了查出潛電路，先要列出電路所存在的一切通路。為了簡(jiǎn)化起見，須略去不必要的部分，但必須保持連通電源和接地總線通路，略去無(wú)關(guān)路徑。此過(guò)程工作量較大，一般要用計(jì)算機(jī)完成?？稍诖嘶A(chǔ)上產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)樹。這種網(wǎng)絡(luò)樹規(guī)定：把所有電源置于每一網(wǎng)絡(luò)樹的頂端，而底部是地，并使電路按電流自上而下的規(guī)則排列。由網(wǎng)絡(luò)樹可判斷出存在的潛電路。

    進(jìn)行潛電路分析時(shí)，一般不考慮環(huán)境變化的影響，也不去識(shí)別由于某些硬件故障等原因引起的潛電路。潛電路分析只注重系統(tǒng)各元件、部件之間的相互連接、相互關(guān)系及相互影響，而不注重元件、部件本身的可靠性。在進(jìn)行潛電路分析時(shí)，使用詳細(xì)的生產(chǎn)圖及安裝圖要比使用系統(tǒng)級(jí)或功能級(jí)圖樣更為有效。