電子設備可靠性設計方法

    1.可靠性預計

　　電子設備的最大特點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

預計其可靠性指標。

    電子設備均是由電阻、電容、二極管、三極管、集成電路等標準化程度很高的電子元器件組成，而對于標準元器件現(xiàn)已積累了大量的試驗、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，已有成熟的預計標準和手冊。對于國產(chǎn)電子元器件，可采用國家軍用標準GJB/Z 299A—91《電子設備可靠性預計手冊》進行預計；而對于進口電子元器件，則可采用美國軍標MIL-HDBK-217E《電子設備可靠性預計》進行預計。

    （1）元件計數(shù)法   這種方法適用于方案論證和初步設計階段。其通用計算公式為

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——設備所用元器件的種類數(shù)目。

    （2）元器件應力分析法   適用于電子設備詳細設計階段，此時已具備了詳細的元器件清單、電應力比、環(huán)境溫度等信息。這種方法的預計結(jié)果比計數(shù)法要準確些。但計算比較繁瑣。其計算公式為
  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——應用系數(shù)；
      πs——電壓應力系數(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、降低保障費用的有效措施。

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

    1）建立元器件選用的控制機構(gòu)；
    2）制定元器件控制方案，控制標準和非標準元器件的使用，擬定元器件優(yōu)選清單；
    3）對轉(zhuǎn)承制方的元器件選用進行控制；
    4）進行必要的應力篩選。具體的篩選方法可參閱本書6.2節(jié)。

    3.降額設計

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

    各類電子元器件，都有其最佳的降額范圍。此時，工作應力的變化對其失效率有明顯的影響，設計上也容易實現(xiàn)，并且在設備體積、重量和成本方面不會付出太大的代價。

    在電子元器件的最佳降額范圍內(nèi)，一般可分成三個降額等級：

    1）Ⅰ級降額。級降額是最大的降額，適用于設備故障將會危及安全，導致任務失敗和造成嚴重經(jīng)濟損失的情況。
    2）Ⅱ級降額。
    3）Ⅲ級降額。Ⅲ級降額是最小的降額，這種降額的可靠性增長效果和所花費的代價相比是最高的。

    4.熱設計

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

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

    5.冗余設計

    冗余是指系統(tǒng)或設備中具有多于一種手段執(zhí)行同一種規(guī)定功能的能力。設置冗余可提高系統(tǒng)的可靠性，但同時又增加了系統(tǒng)的復雜性、重量和體積。一種工程經(jīng)驗認為：采用更可靠的元器件、簡化設計和降額設計等方法仍不能滿足系統(tǒng)可靠性要求時才考慮采用冗余。另一種工程經(jīng)驗則認為：當經(jīng)費和進度都有限止時，采用成熟設計的冗余技術(shù)是實現(xiàn)高可靠性的有效途徑。因此，是否采用冗余全視具體場合而定。

    冗余并非適用于所有的場合，一般在低層次和關鍵關節(jié)的情況下使用可獲得較好的效果。同時，還需注意，某些冗余技術(shù)的采用需增加若干故障檢測和冗余通道切換裝置，它們的失效率應遠低于受控部分時，才能發(fā)揮冗余技術(shù)的優(yōu)越性。
 
　　冗余設計的主要任務是：

    1）確定冗余等級；
    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.電磁兼容設計

    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、設備、組件、元件等，在執(zhí)行預定的任務時遇到的各種電磁環(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)日趨復雜，電子計算機的廣泛應用及電子電路集成度的提高，電磁兼容性問題也日趨嚴重，這已日益成為人們的共識。一個可靠的系統(tǒng)，在規(guī)定的條件下，在任何工作時間里，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來源：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，在進行總體設計時，要注意解決好下列問題：頻率和頻譜的選擇、信號電平的選擇、阻抗的選擇、儀器及電路的布置。在電磁兼容設計中，要在接地與搭接、屏蔽、濾波、電纜網(wǎng)設計、儀器電路設計、結(jié)構(gòu)設計、材料和零組件及其工藝、防靜電等方面采取措施。最后，還必須進行電磁兼容性測試驗證。

    7.容差分析

    電子元器件和電路的容差分析是作為一個可靠性工作項目列入國家軍用標準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、退化等因素對元器件參數(shù)變化的影響。

    隨著健壯性設計方法的推廣，現(xiàn)今已將容差分析作為三次設計，即系統(tǒng)設計、參數(shù)設計和容差設計的一部分來進行。有關三次設計的基本原理可參閱本章5.8節(jié)“健壯設計”。

    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。它的存在會引起功能異常或抑制正常功能。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艿臐撛陔娐罚瑥亩鵀楦倪M設計提供依據(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，略去無關路徑。此過程工作量較大，一般要用計算機完成。可在此基礎上產(chǎn)生網(wǎng)絡樹。這種網(wǎng)絡樹規(guī)定：把所有電源置于每一網(wǎng)絡樹的頂端，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)絡樹可判斷出存在的潛電路。

    進行潛電路分析時，一般不考慮環(huán)境變化的影響，也不去識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、相互關系及相互影響，而不注重元件、部件本身的可靠性。在進行潛電路分析時，使用詳細的生產(chǎn)圖及安裝圖要比使用系統(tǒng)級或功能級圖樣更為有效。