基于電子設備的可靠性設計技術(shù)分析

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

【關鍵詞】電子設備；可靠性；降額設計；熱設計；潛電路

1.引言

要使電子設備具有預期的可靠性，就必須使所有的相關人員了解可靠性知識，有意識地共同做好可靠性工作。本文基于這一方向，進行了電子設備的可靠性設計技術(shù)分析。

2.電子設備的可靠性設計技術(shù)

2.1 電子設備可靠性預計

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

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)格種類與保障費用減少，最有效的一個措施就是對電子元器件的選擇與控制。

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

（1）建立元器件采用的控制機制；

（2）針對元器件控制制定相應的方案，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)承制方的元器件時要進行相應的控制；

（4）必要時進行相應的應力篩選。篩選方法參考本文第六節(jié)。

2.3 電子元器件的降額設計

降額設計的目的是使電子元器件的工作應力比所規(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。電應力與溫度應力對其故障率的影響較為明顯，所以，在電子產(chǎn)品的可靠性設計中，使用最多的一個方法就是降額設計。

所有的電子元器件都有最適宜的降額范圍。這個時候，它的失效率由于工作應力的變化而受到的影響是最大的，也便于設計，同時，設備的重量與體積以及成本等都相對較小。

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

2.4 電子元器件的熱設計

熱設計的基本任務是：在滿足性能要求的基礎上使設備內(nèi)部盡量少產(chǎn)生熱量與熱阻，選擇恰當?shù)睦鋮s方式。

熱設計的基本步驟：

（1）第一步要明確設備的損耗、發(fā)熱量、設備規(guī)格與所處環(huán)境等多個設計條件；

（2）確定設備的冷卻方式，并對滿足原始條件與否進行檢查；

（3）對相關構(gòu)件進行熱設計，如：元件、線路、印制電路板以及機箱；

（4）檢查要遵照熱設計檢查表，對于是否滿足設計要求進行確定。

2.5 電子元器件的冗余設計

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。進行冗余設置有助于系統(tǒng)可靠性的提高，但系統(tǒng)卻同時會變得更加的復雜性，重量與體積也會更大。有一種觀點是：當采取了相應的方法之后，如簡化設計、降額設計等，還是滿足不了系統(tǒng)的可靠性要求，再選擇冗余。另一種觀點是：當預算與進度都不是很寬裕的時候，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)具體的場合來決定是否使用冗余。

并不是任何場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鍵的環(huán)節(jié)。不能忽視的一點是，采用部分冗余技術(shù)需要加強對故障的檢測，以及增設其通道切換裝置，只有當其失效率比受控部分小的多的時候，冗余技術(shù)的優(yōu)勢才能得到體現(xiàn)。

冗余設計的主要任務：冗余等級、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計

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)、儀器設備以及元件等，在執(zhí)行任務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，那么在總體設計過程中就要使以下幾個問題得到良好的解決：頻率與頻譜、信號電平以及阻抗的選擇；恰當?shù)牟贾脙x器與電路。在設計電磁兼容中的許多環(huán)節(jié)需要采取相應的措施，如：接地、屏蔽、濾波、儀器電路與結(jié)構(gòu)設計以及防靜電等。電磁兼容性的測試與驗證也是最后一個必不可少的環(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。它對系統(tǒng)的正常功能有抑制作用。對潛電路進行分析是為了找出影響正常功能的潛電路，以幫助我們對現(xiàn)有設計進行相應的改進。

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。為了簡化這項工作，可將無關緊要的路徑略去，但連通電源與接地總線通路是不能略去的。由于這項工作量非常大，通常是需要用到計算機，因此，可基于這一點形成網(wǎng)絡樹。該網(wǎng)絡樹必須將各電源放置在各個網(wǎng)絡樹的最上端，大地是底部，同時，根據(jù)電流由上往下的規(guī)則對電路進行排列。通過網(wǎng)絡樹可對存在的潛電路進行確定。

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

3.小結(jié)

在可靠性設計中，首要問題是精選元器件，使之滿足長期穩(wěn)定運行精度的要求。元器件的可靠性包括元器件的失效特性、失效機理，抗干擾性能，文中的分析顯然對該領域有借鑒價值。

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