基于電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)分析

【摘要】文中基于電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，主要分析了以下內(nèi)容：電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)、電子元器件的選擇與控制、電子元器件的降額設(shè)計(jì)、電子元器件的熱設(shè)計(jì)、電子元器件的冗余設(shè)計(jì)以及電子元器件的潛電路分析等方面的內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】電子設(shè)備；可靠性；降額設(shè)計(jì)；熱設(shè)計(jì)；潛電路

1.引言

要使電子設(shè)備具有預(yù)期的可靠性，就必須使所有的相關(guān)人員了解可靠性知識(shí)，有意識(shí)地共同做好可靠性工作。本文基于這一方向，進(jìn)行了電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)分析。

2.電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)

電子元器件壽命服從指數(shù)分布是其設(shè)備的一個(gè)最大特點(diǎn)，也就是故障率是常數(shù)。因此，它的可靠性指標(biāo)可以通過公式進(jìn)行預(yù)測(cè)。構(gòu)成電子設(shè)備的元器件都具備較高的標(biāo)準(zhǔn)化，包括：電阻、電容、二/三極管以及集成電路等，而目前已經(jīng)積累了很多標(biāo)準(zhǔn)元器件方面的試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與手冊(cè)是比較成熟的。國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299A-91《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》適用于國產(chǎn)電子元器件的預(yù)計(jì)，而美國軍標(biāo)MIL-HDBK-217E《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)》則適用于進(jìn)口電子元器件的預(yù)計(jì)。

2.2 電子元器件的選擇與控制

要是系統(tǒng)的可靠性得到保障，元器件規(guī)格種類與保障費(fèi)用減少，最有效的一個(gè)措施就是對(duì)電子元器件的選擇與控制。

企業(yè)在選擇與控制電子設(shè)備元器件時(shí)應(yīng)根據(jù)可靠性要求采取相應(yīng)的措施，通常需要注意的是：

（1）建立元器件采用的控制機(jī)制；

（2）針對(duì)元器件控制制定相應(yīng)的方案，控制所有元器件的使用，編制元器件選擇清單；

（3）在選用轉(zhuǎn)承制方的元器件時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)的控制；

（4）必要時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力篩選。篩選方法參考本文第六節(jié)。

2.3 電子元器件的降額設(shè)計(jì)

降額設(shè)計(jì)的目的是使電子元器件的工作應(yīng)力比所規(guī)定的額定值低，以使基本故障率降低，從而保證系統(tǒng)的可靠性。電應(yīng)力與溫度應(yīng)力對(duì)其故障率的影響較為明顯，所以，在電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)中，使用最多的一個(gè)方法就是降額設(shè)計(jì)。

所有的電子元器件都有最適宜的降額范圍。這個(gè)時(shí)候，它的失效率由于工作應(yīng)力的變化而受到的影響是最大的，也便于設(shè)計(jì)，同時(shí)，設(shè)備的重量與體積以及成本等都相對(duì)較小。

在電子元器件最適宜的降額范圍內(nèi)，其降額等級(jí)可分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，降額等級(jí)中最大的是Ⅰ級(jí)降額，其次是Ⅱ級(jí)，最小的是Ⅲ級(jí)。如果所發(fā)生的故障會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全造成威脅并會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，則要采用Ⅰ級(jí)降額；而所需成本與可靠性增長效果最大就是Ⅲ級(jí)降額。

2.4 電子元器件的熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是：在滿足性能要求的基礎(chǔ)上使設(shè)備內(nèi)部盡量少產(chǎn)生熱量與熱阻，選擇恰當(dāng)?shù)睦鋮s方式。

熱設(shè)計(jì)的基本步驟：

（1）第一步要明確設(shè)備的損耗、發(fā)熱量、設(shè)備規(guī)格與所處環(huán)境等多個(gè)設(shè)計(jì)條件；

（2）確定設(shè)備的冷卻方式，并對(duì)滿足原始條件與否進(jìn)行檢查；

（3）對(duì)相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，如：元件、線路、印制電路板以及機(jī)箱；

（4）檢查要遵照熱設(shè)計(jì)檢查表，對(duì)于是否滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行確定。

2.5 電子元器件的冗余設(shè)計(jì)

冗余指的是系統(tǒng)中有一種以上的手段來執(zhí)行同類指定功能的能力。進(jìn)行冗余設(shè)置有助于系統(tǒng)可靠性的提高，但系統(tǒng)卻同時(shí)會(huì)變得更加的復(fù)雜性，重量與體積也會(huì)更大。有一種觀點(diǎn)是：當(dāng)采取了相應(yīng)的方法之后，如簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)等，還是滿足不了系統(tǒng)的可靠性要求，再選擇冗余。另一種觀點(diǎn)是：當(dāng)預(yù)算與進(jìn)度都不是很寬裕的時(shí)候，可選擇較為成熟的冗余技術(shù)，這樣可以更好的提高系統(tǒng)的可靠性。所以，要根據(jù)具體的場(chǎng)合來決定是否使用冗余。

并不是任何場(chǎng)合都適合采用冗余的，通常使用效果比較好的是在層次較低以及較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。不能忽視的一點(diǎn)是，采用部分冗余技術(shù)需要加強(qiáng)對(duì)故障的檢測(cè)，以及增設(shè)其通道切換裝置，只有當(dāng)其失效率比受控部分小的多的時(shí)候，冗余技術(shù)的優(yōu)勢(shì)才能得到體現(xiàn)。

冗余設(shè)計(jì)的主要任務(wù)：冗余等級(jí)、類型、配置方案以及管理方案的確定。

2.6 電子元器件的電磁兼容設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的電磁兼容性指的是系統(tǒng)中各電氣及電子系統(tǒng)、分系統(tǒng)、儀器設(shè)備以及元件等，在執(zhí)行任務(wù)過程中所遇到的所有電磁環(huán)境中，不降低性能、參數(shù)在允許的范圍內(nèi)，還可以進(jìn)行有效有序地工作的性能。

電磁干擾主要來自于功能干擾源、非功能干擾源以自然干擾源這三類。根據(jù)傳播途徑可將其分為傳導(dǎo)干擾源與輻射干擾源兩類；根據(jù)頻帶則可將其分為窄頻帶干擾與寬頻帶干擾兩類。

為了使系統(tǒng)具備電磁兼容性，那么在總體設(shè)計(jì)過程中就要使以下幾個(gè)問題得到良好的解決：頻率與頻譜、信號(hào)電平以及阻抗的選擇；恰當(dāng)?shù)牟贾脙x器與電路。在設(shè)計(jì)電磁兼容中的許多環(huán)節(jié)需要采取相應(yīng)的措施，如：接地、屏蔽、濾波、儀器電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及防靜電等。電磁兼容性的測(cè)試與驗(yàn)證也是最后一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。

2.7 電子元器件的潛電路分析

我們所說的潛電路就是在一定的條件下，電路中產(chǎn)生并非我們所期望的通路。它對(duì)系統(tǒng)的正常功能有抑制作用。對(duì)潛電路進(jìn)行分析是為了找出影響正常功能的潛電路，以幫助我們對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

如果要找出潛電路，首先要將存在于電路中的所有通路羅列出來。為了簡(jiǎn)化這項(xiàng)工作，可將無關(guān)緊要的路徑略去，但連通電源與接地總線通路是不能略去的。由于這項(xiàng)工作量非常大，通常是需要用到計(jì)算機(jī)，因此，可基于這一點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)樹。該網(wǎng)絡(luò)樹必須將各電源放置在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)樹的最上端，大地是底部，同時(shí)，根據(jù)電流由上往下的規(guī)則對(duì)電路進(jìn)行排列。通過網(wǎng)絡(luò)樹可對(duì)存在的潛電路進(jìn)行確定。

在分析潛電路過程中，環(huán)境變化通常被認(rèn)為是沒有影響的，部分硬件故障所引起的潛電路也無需識(shí)別。此過程中的元件自身的可靠性并不重要，重要的是系統(tǒng)各個(gè)元件之間的關(guān)系與影響。而此過程中，采用系統(tǒng)級(jí)與功能級(jí)圖并沒有詳細(xì)的生產(chǎn)圖與安裝圖的效果好。

3.小結(jié)

在可靠性設(shè)計(jì)中，首要問題是精選元器件，使之滿足長期穩(wěn)定運(yùn)行精度的要求。元器件的可靠性包括元器件的失效特性、失效機(jī)理，抗干擾性能，文中的分析顯然對(duì)該領(lǐng)域有借鑒價(jià)值。

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