电子设备可靠性设计.

1、电子设备可靠性设计 杨志飞 整机设备可靠性设计 n装备研制与生产的可靠性通用大纲 n可靠性设计工作内容 第一章 装备研制与生产的可靠性通用大纲 n大纲内容简介 第二章 可靠性设计工作内容 n建立可靠性模型 n可靠性分配 n可靠性预计 n故障模式、影响及危害度分析 n潜在电路分析 n电子元器件和电路容差分析 n制定元器件大纲 n确定可靠性关键件和重要件 n确定功能测试、包装、贮存、装卸、运输 及维修对可靠性的影响 n可靠性降额设计 n可靠性热设计 n可靠性设计评审 1 建立可靠性模型 n目的 n可靠性模型与产品原理框图的区别 n建立可靠性模型的前提条件 n产品及其单元只具有正常与失效两种状态 n

2、产品及其单元的邦命特征服从指数分布 n产品所包含各单元的失效是相互独立的 1 建立可靠性模型 n几种典型的可靠性数学模型 n串联模型 n模型框图(如图1-2) n数学模型 1 建立可靠性模型 a.产品失效率 1 建立可靠性模型 n并联模型 模型框图(如图1-3) 数学模型 1 建立可靠性模型 nn中取r模型(r/ n模型) n原理 n数学模型 1 建立可靠性模型 n旁联模型 n原理 n模型框图 n数学模型 1 建立可靠性模型 na. 假设条件：产品的n个单元完全相同。 1 建立可靠性模型 n基本可靠性与任务可靠性模型 n基本可靠性：产品在规定的条件下无故障的持续时间。 n任务可靠性：产品在规定

3、的任务剖面中完成规定功能的能力。 n建立可靠性模型的工作程序 n确定产品的定义 n建立产品可靠性基本可靠性模型 n确定产品任务功能，建立任务可靠性模型 n规定产品失效判据 n用占空系数进行修正 1 建立可靠性模型 n对任务可靠性模型进行环境条件处理 n建立和完善产品各级可靠性模型 2 可靠性分配 n目的与要求 n目的 n要求 n方法与内容 n工程加权分配法 n适用范围 n原理 n分配公式 2 可靠性分配 2 可靠性分配 n加权因子的数据估计 a. 重要性因子Ki1 b. 复杂性因子Ki2 c. 环境因子Ki3 d. 标准化因子Ki4 e. 其它因子 n分配程序 可靠性分配 2 可靠性分配 n工

4、程加权分配法举例 某舰载综合火控雷达系统，经过加权分配给予搜索雷达的可靠性指 标 MTBF40小时。该雷达由电源、发射、接收、 显示、天馈及伺 服共六个分机组成，试对其进行加权分配。(如表2-1) 2 可靠性分配 n代数分配法 n适应范围 n分配公式 2 可靠性分配 n分配因子的确定 n重要性因子Wi n复杂性因子Ki n分配程序 a. 确定重要性因子Wi b. 计算复杂性因子Ki c. 按公式计算分系统的可靠性指标MTBFi 或Ri* n代数分配法举例 一套远程警戒雷达系统的可靠度指标要求为0.9，持续工作时间 为12小时，系统设有固定目标对消器，清除波段覆盖区域内30 的地物反射杂波。 天

5、馈发射机接收机对消器视频处理显示与控制(见 下表) 2 可靠性分配 2 可靠性分配 n顺序分配法(提高薄弱环节分配法) n适用范围 n原理：在方案阶段对串联系统内的各分系统进行预计后，发现系 统达不到规定的可靠性指标时，在预计的基础上对各分系统进一 步分配可靠性指标。 n分配程序 n计算已定方案系统的可靠度 n把系统内各分系统的可靠度按大小顺序排列 2 可靠性分配 n按顺序将各分系统的可靠度R1 (t)Rk (t)提高到Rk ，其他分系 统不变 ，即： n验算改进后系统可靠度是否满足要求 3 可靠性预计 n目的 n任务可靠性预计和基本可靠性预计 n按产品研制阶段的可靠性预计 n可行性预计 n初

6、步预计 n详细预计 n可靠性预计的要求 1.在产品进行可靠性预计前，必须建立产品的可靠性模型，根据产品 的模型和任务剖面或寿命剖面进行可靠性预计，当上述剖面不明确时 应按最恶劣工作情况和环境条件进行可靠性预计。 2.当产品设计更改或失效数据变更时，必须及时修正可靠性模型，重 新进行产品的可靠性预计。 3 可靠性预计 3.产品的可靠性预计应按GJB/Z 299A电子设备可靠性预计手册规定 进行或者按用户认可的其它数据来源进行。 4.预计方法可以根据用途和研制阶段进行选择。 5.应当强调建模和预计工作的及时性，应在计划决策之前提供有用信息。 6.基本可靠性预计是依据寿命剖面的要求，使用串联模型来估

7、计产品所 有部件对维修和后勤保证的要求。预计应考虑产品所有单元(包括备件) 在执行任务和准备执行任务过程中发生的所有要求维修或更换的失效， 并对这些零部件的故障提出维修和后勤保障。 7.任务可靠性预计是依据任务剖面的要求采用串-并联模型估计产品成 功地完成规定任务的能力。任务可靠性预计应考虑产品各单元在执行 任务过程中发生的足以影响任务成功的各种故障。 3 可靠性预计 8.随着产品从电路设计进入硬件生产阶段，这时已有许多实际试验信息可 以利用，此时可靠性计算便从预计进展到硬件设备的评估阶段。预计值 与估计值的真实性都取决于模型的假设和资讯的质量。及时证实和正确 分析没有达到规定的可靠性指标的原

8、因，可为改进措施提供依据。改进 措施确定得越及时，对实现改进措施受计划的限制就越小，对提高产品 的可靠性所产生的效果就越大。 9.为了在早期阶段确定可靠性要求的可行性和在研制生产阶段确定可靠 性要求的可接受性，订购方应当规定承制方必须进行可靠性预计与评估。 这些工作与可靠性指标论证、分配、产品方案分析等活动有密切联系， 有时需交错和反复地进行。 10.任务可靠性预计应该考虑产品规范中规定的每一种工作模式，并对它 们加以区分。预计工作应该表明产品是否满足了订购方规定的所有可靠 性要求。 3 可靠性预计 n可靠性预计的方法步骤 n相似设备法 n原理 n程序 a.相似设备进行比较时应该考虑的要点 产

9、品的结构和性能比较；设计的相似性；制造工艺的相似性； 产品寿命剖面的相似性(后勤保证、工作和环境条件)； 程序与计划的相似性；已达到并经验证的可靠性值。 b.相似设备法的真实性决定于两个产品间的等效程度，而不仅仅 决定于用来描述产品的一般术语。 3 可靠性预计 n相似电路法 n原理 n程序 a.进行相似电路的比较要点 3 可靠性预计 电路的结构和性能的相似性；设计的相似性； 制造工艺的相似性；电路寿命剖面的相似性； 程序与计划的相似性；已达到并经验证的可靠性值。 b.利用公式将单个电路的可靠性综合为整个产品的 可靠性预计值。 c.相似电路法的真实性取决于电路之间的等效程度，而不 仅仅决定于用来

10、描述电路的一般术语。 d.各承制方和订购方共同认可的附有有关失效率数据的电路 手册或文件，可以用于相似电路法进行可靠性预计。 3 可靠性预计 n简单枚举归纳推理快速预计法 n元件计数法 n元件应力分析法 4 故障模式、影响及危害度分析. n目的 n工作性质及方法 n有关定义 a.故障模式：是故障的表现形式。如短路、开路、断裂 、过度耗损等。 b.故障影响：故障模式对产品的使用、功能或状态所导 致的后果。一般分为局部的、高一层次的和最终的影 响三级。 c.危害度：对某种故障模式的后果及其出现频率的综合 度量。 4 故障模式、影响及危害度分析 n实施步骤 a.掌握必要的资料 b.画出功能框图和可靠

11、性框图；按功能级别给产品编制代号。 c.确定分析的级别。 d.列出故障模式，分析原因及影响。 e.列出故障检测、隔离措施和方法，提出设计预防措施，防 止故障事件发生。 f.确定各种故障对产品的危害度等级。 g.确定各种故障发生的概率等级，一般分成AE级。 4 故障模式、影响及危害度分析 n危害度矩阵图的作法及用途 a.原理与作用：危害度矩阵图是对产品每一故障模式的危 害程度与发生概率等级的显示图，可为比较故障模式，排 出采取措施的顺序提供依据。 b.做法：用横座标表示故障的危害严酷程度，自左至右表 示由轻至重（即由类）；纵座标表示故障的发生概 率等级，自下而上表示发生概率由小至大（即由EA级）

12、。 把每个故障的危害严酷等级和发生概率等级标于图上形成 许多故障等级点，再用直线把每个点与座标原点相连，形 成以原点为出发点的矢量距图。 c.比较与判断：由作图规则可知，离原点越远的故障，其 危害度越严重。因此，应按故障点与原点连线的长短排出 采取措施的顺序，连线越长越需优先采取措施。 4 故障模式、影响及危害度分析 试对某雷达系统的接收机分系统进行故障模式、影响及危机度分析。 a.雷达功能框图绘于图1-1。 b.由于已经指明对接收分系统进行分析，雷达系统级代号为0， 接收机代号为1，故总代号为01。分析表见表1-1。 4 故障模式、影响及危害度分析 c.矩阵图见图1-2。 d.由矩阵图可知，

13、矢量距 ，因此要优先解决的 故障模式。 5 潜在电路分析 n目的 n工作性质及定义 潜在通路指的是在某种条件下，电路中产生不希望有的通路，引 起功能异常或抑制了正常功能。 n潜在通路分析工作的特点 5 潜在电路分析 n方法及步骤 收集有关资料，包括电原理图、装配图、实际接线图等； 简化电路图，改绘成网络树图； 识别拓扑图形； 应用线索表进行分析。 5 潜在电路分析 n实例 6 电子元器件和电路容差分析 n目的 n工作性质 产品性能参数漂移的主要原因有： 元器件的实际值与标称值存在公差，有一定的精度等级，而设 计的电路往往不考虑这个公差，只标明标称值。当装机的元器件 参数离标称值较远时，一旦超过

14、电路允许的范围，必然要发生电 路参数的漂移，有的电路还将导致产品性能超差； 环境温度的变化，使元器件参数在原有公差的基础上发生新的 漂移，导致产品性能参数超差； 元器件退化，这与施加于元器件各种应力能量的时间积累有关， 主要发生在陈旧设备上。 6 电子元器件和电路容差分析 n分析方法 电子元器件和电路容差分析，其方法有最坏情况分析法、矩法、 增量网络法、伴随网络法、蒙特卡罗法等。 6 电子元器件和电路容差分析 n方法原理 最坏情况分析法的基础工作是建立数学模型。就是要把电路性能 的特征值Vi 表示为设计参数P1 、P2 、Pn 的函数，即Vi (P1 ，P2 ，Pn )。把这个函数在标称值上按

15、台劳级数展开， 取其第一项，略去高阶项，得到i的变化量Vi 与设计参数变量 Pi 之间的线性关系式。其核心是要确定电路性能特征对各个部 件参数偏差的灵敏度。然后写出相应的偏差公式，求指标允许的 相对偏差量，作比较，最后提出改进设计的意见。 n举例(略) n分析结果的应用 根据容差分析的原理和方法，考虑在确保产品性能稳定性和可靠 性的前提下，设计者还应考虑尽量降低产品成本。 6 电子元器件和电路容差分析 指导设计师在设计电路时应充分考虑工作点的参数使电路允许元器件 有较大的公差范围，这不仅可以降低产品成本，还可以减轻采购难 度； 提示设计师对重要电路重要部位的元器件，要提出低公差、高精度 等级的

16、要求； n注意事项 要尽早提出需要做电子元器件和电路容差分析的功能块和电路清单， 用于协调产品各单元的输入信号、电源电压、频率、带宽、相位及 负载阻抗等特性，规定电路节点参数、电路元器件的过渡特性、时 序及作用时间、电路消耗功率、匹配阻抗等参数。 并明确其使用温度范围和元器件的选择原则； 由于本分析需要一定的技巧，工作量大，需要使用计算机，因此不可 能也不必要对整机全部电路进行分析。 7 制定元器件大纲 n目的 元器件是整机产品基础件的统称，也可称为元器件、零部件。 n大纲规定的内容 n建立机构 n元器件、零部件的控制方案 n元器件、零部件优选清单内容及规则 n对转承制方提出元器件、零部件的选

17、用要求 7 制定元器件大纲 n选用非标准元器件、零部件的控制程序（推荐） n元器件、零部件的标准化 n元器件、零部件的应用指南 n元器件、零部件的筛选 n参加可靠性信息交换网的要求 n制订元器件大纲应考虑的因素 产品执行任务的关键性； 元器件的重要性； 产品的批量：批量越大，有关的控制要越严格； 维修因素：拆卸困难的产品对元器件、零部件的质量要求 要格外严； 元器件、零部件的供应状况：易采购到的要求可适当放宽； 7 制定元器件大纲 新型元器件、零部件的比例：新型品比例越大，控制要越严； 元器件、零部件的标准化状况：非标的元器件、零部件要加 严控制； 参考安全性、质量控制、维修性、耐久性分析报告

18、，考虑对 元器件、零部件的控制。 8 确定可靠性关键件和重要件 n目的 n定义 关键特性是指如有故障，可能危及人身安全、导致 武器系统或完成所要求使命的主要系统失效的特性。 重要特性是指该特性虽然不是关键特性，但如有故 障，可能导致最终产品不能完成所要求使命的特性。 8 确定可靠性关键件和重要件 可靠性关键件和重要件指的是其故障将严重地影响系 统安全性、可用性、任务成功、维修及寿命周期费用 的产品。 n判别准则 n确定方法 可以用故障模式、影响及危害度分析，故障树分析， 热分析，电应力分析等方法来确定可靠性关键件和 重要件。 9 确定功能测试、包装、贮存、装卸、 运输及维修对可靠性的影响 n目

19、的 n影响可靠性的机理 由于不规范的包装减弱了包装对产品的环境隔离保护性能， 造成了环境条件对产品的侵害，甚至包装材料与产品发生化 学反应，使得产品易出故障，降低其可靠性和缩短其工作寿 命； 产品的包装方式与运输条件不匹配，再遇到野蛮装卸，使得 产品发生机械过应力的侵害，降低其可靠性和缩短其工作寿 命； 产品在贮存期间包装受损或储存条件差，易使产品的电气活 动接点和零部件氧化、润滑剂老化、化工材料件老化变脆， 导致降低其可靠性和缩短其工作寿命； 功能测试可能引入人为差错的故障，降低了产品可靠性，个 别的短寿命部件会因测试缩短其工作寿命。 9 确定功能测试、包装、贮存、装卸、 运输及维修对可靠性

20、的影响 n确定贮存和环境条件变化对产品可靠性的影响 在无包装状态下产品的元器件会受到大气高温、低温、化学成分以及 机械应力的直接作用，其失效率水平将受到影响，导致影响整机的 可靠性水平。例：分立半导体器件非工作失效率预测模型为： 9 确定功能测试、包装、贮存、装卸、 运输及维修对可靠性的影响 上述参数的常用值见表8-1。 9 确定功能测试、包装、贮存、装卸、 运输及维修对可靠性的影响 n确定贮存期产品的检查周期 贮存检查的定义：在贮产品要定期检查、试验，以评价贮存产品的 战备完好性。因此科学地确定检查周期可以获得最佳的效费比。 定期检查方法：目视检查、功能测试。 确定检查周期：参照表8-2和表

21、8-3。 应用举例 某产品存放于不加热的仓库中，包装为军用A级，器材变质为中，复 杂度为高，成本为中，可达性为好，关键性为中，试确定检查周期。 注意事项 当贮存的产品数量很大时，只能作抽样检查，抽样方案由GJB 179计 数抽样检查程序及表的规定确定；定期检查的结果要及时上报可 靠性信息网，以便上级管理机关及时掌握产品的可靠性状况，同时 反馈给承制单位以解决贮存影响产品可靠性的问题。 10 可靠性降额设计 n可靠性降额设计的内涵 根据元器件的特性设计其工作点，使其低于额定工作参数，从而 降低元器件的工作失效率，预防故障的发生，实现系统可靠性指 标要求。 n可靠性降额设计要求 要确保元器件处于安

22、全区内工作，强调综合产品的重量、体积、 成本及可靠性要求进行有限度的降额设计。 n可靠性降额设计的程序与方法 10 可靠性降额设计 n降额设计的程序 n定义设计条件 n根据设计条件选择适用的元器件 n根据上述两点确定具体的元器件降额等级和因子。 n降额设计的工程方法 n数学模型法 n失效率曲线法 n降额图法(如图4-1) 10 可靠性降额设计 n参照标准法 n降额等级及应用 可靠性降额设计 n元器件降额准则 10 可靠性降额设计 n降额设计应注意的问题 n在降额设计时，无论采用何种方法，都应注意并不是降额越多越好； 而要根据设计条件综合分析确定降额系数，否则将会带来重量、空 间、费用的增加，甚至发生相反的结果。 n由于元器件额定值具有一定的离散性，故在使用降额图时，应根据 具体元器件额定值的分布情况，在降额图上划出一个禁用区域，如 图4-2所示。 n注意某些元器件的某些参数是不能降额的。 11 可靠性热设计 n“废热”的概念和热设计的重要性 n产品与环境间热量的传递 为了深入分析环境热量对产品可靠性的影响，要分别讨论导热、 对流和辐 射三种方式。 11 可靠性热设计 n导热 导热的定律：在纯导热系统中，单位时间内通过给定面积的热 流量正比于该地垂直于导热方向的截面面积及其温度变化率。 11 可靠性热设计 n 对流