电子系统可靠性设计

1、电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计程真英2011.9电子系统可靠性设计电子系统可靠性设计n元器件的选用与控制元器件的选用与控制(GJB546-88，电子元器件可靠，电子元器件可靠性保证大纲性保证大纲 )n电子系统可靠性设计原则电子系统可靠性设计原则n降额设计降额设计(GJB/Z35-93，元器件降额准则，元器件降额准则 )n冗余设计冗余设计n最坏情况设计最坏情况设计n电路漂移设计电路漂移设计n元器件误差统计分析元器件误差统计分析n电磁兼容性设计电磁兼容性设计 n热设计热设计(GJBZ27-92，电子设备可靠性热设计手册），电子设备可靠性热设计手册）电子元器件的选择与使用电子元器件的选择与使用

2、n为什么要控制选择与正确使用电子元器件为什么要控制选择与正确使用电子元器件n电子元器件的失效规律电子元器件的失效规律n我国电子元器件的标准概况我国电子元器件的标准概况n元器件的选择控制元器件的选择控制n元器件的正确使用元器件的正确使用返回为什么要控制电子元器件的选为什么要控制电子元器件的选择与正确使用择与正确使用n电子元器件是电子、电气系统的基础产品，是能够完成预定功能而不能再分割的电路基本单元，其自身的可靠性是十分重要的；n设计人员注重元器件的功能与性能，不关心其“质量等级”、“失效率等级”；n元器件的采购缺乏产品可靠性概念，渠道不畅、不稳；n元器件的使用：近一半的元器件失效并非由于元器件本

3、身的固有可靠性不高，而是由于使用者对元器件选择不当或使用有误。航天部半导体器件失效分析中心的统计数字：电子元器件的失效规律电子元器件的失效规律n电子元器件的失效原因n制造质量问题n可靠性问题n耗损问题n设计问题电子元器件的失效规律电子元器件的失效规律n电子元器件的典型失效率曲线返回电子元器件的质量等级电子元器件的质量等级质量等级质量等级：是指元器件装机使用之前，在制造、试验及筛选过程中其质量的控制等级。 它对元器件的失效率有很大的影响。目前，预计国外、国内元器件失效率时，用质量系数Q作为不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数。国外电子元器件的质量等级半导体集成电路质量系数等级返回国内元器

4、件的质量等级电子元器件的质量等级电子元器件的质量等级元器件的选择与控制元器件的选择与控制n目的n保证元器件的性能、质量等应满足产品要求；n保证畅通的采购渠道、稳定的货源；n减少品种；n降低采购费用；n正确的使用。n选择控制的总原则n元器件的技术性能、质量等级、使用条件等应满足产品要求；n优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠道可靠的标准元器件；n在产品设计时，应最大限度地压缩元器件的品种、规格及其生产厂点；n要严格控制新研元器件的使用。元器件的选择与控制元器件的选择与控制n国产电子元器件的优选顺序国产电子元器件的优选顺序n按国家标准（GB）、国家军用标准（GJB）、“七专”技

5、术条件（QZJ）、电子工业部标准（SJ）执行n“七专”产品n推荐品种n保留品种n适用品种n国外电子元器件的优选国外电子元器件的优选n国外已形成了一系列的军用标准和规范n国外元器件质量等级、命名标志及选购指南n问题n忽视检测n概念模糊，选择不当：“军用温度范围”当“军品”n要求不明，采购不当，渠道混乱，受骗上当返 回元器件的正确使用元器件的正确使用n使用中存在的问题使用中存在的问题n对元器件的性能掌握不够。n测试不当或测量仪器接地不当而烧毁电路。n调机不当，造成损伤n静电损伤值得注意n措施措施n降额使用n热设计n抗辐射设计n防静电设计n操作过程中的问题n储存与保管的问题元器件的正确使用元器件的正

6、确使用n抗辐射设计抗辐射设计n航天器中使用的元器件：外空间的各种辐射n核爆炸环境：高能中子和射线n防静电设计防静电设计n制造过程(人的静电防护)n储存n运输过程n操作过程中的问题操作过程中的问题n安装的机械损伤n储存与保管的问题储存与保管的问题n存储环境返回电子系统可靠性设计基本原则电子系统可靠性设计基本原则n 产品结构和电路应尽量简便。n 尽量选用成熟的结构和典型的电路。n 结构要简单化、模块化、插件化。n 如采用新电路，应注意标准化。n 采用新技术要充分注意继承性。n 尽量采用数字电路。n 尽量采用集成电路。n 逻辑电路要进行简化设计。n 对性能指标、可靠性指标要综合考虑。n 应尽量采用传

7、统工艺和习惯的操作方法。n 应不断采用新的可靠性设计技术。降额设计降额设计n降额：使元器件在低于 其额定值的应力 条件下工作。降额设计降额设计n降额设计概念与目的降额设计概念与目的n降额设计就是使元器件或设备工作时承受的工作应力适当降低于元器件或设备的额定值；n降低基本故障率、提高使用可靠性的目的；n降额主要因素：电应力和温度n降额设计的关键：降额的程度与效果；n降额等级降额等级n级降额：最大适用于故障危及安全、导致任务失败和造成重大经济损失的情况；n级降额：适用于故障使任务降级和增加不合理的维修费用；n级降额：适用于故障对任务完成影响很小和少量的维修。降额准则说明降额准则说明降额设计原则降额

8、设计原则n降额设计原则降额设计原则n各类元器件均有一个最佳的降额范围，在此范围内应力变化对其故障率影响较大。过度的降额也不可取，增加元器件的数量；降额到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；过度降额反而有害：大功率晶体管在小电流下，大大降低放大系数而且参数稳定性降低；继电器的线包电流不仅不能降低，反而应在额定值之上，否则影响可靠的接触；n电应力降额容易，对温度降额，主要依靠热设计热设计；n降额提高可靠性，但要综合考虑可靠性、体积、重量和费用等问题；n根据设计、可靠性等的需要进行，一般参照GJB/Z-35元器件降额准则。返回冗余设计冗余设计冗余设计：用一台或多台相同单元（系 统）并行工作，当其中一

9、 台发生故障时，其它单元仍能 使系统正常工作的设计技术。u如： 并联系统 储备系统等返回简化电路设计n例6-1 设有一数字逻辑电路，将其尽可能简化成相同功能的数字逻辑电路。原数字逻辑电路原数字逻辑电路简化电路设计简化的数字逻辑电路简化的数字逻辑电路最坏情况设计最坏情况设计例例6-2 某反相器电路见图某反相器电路见图6-7，该图中电阻有，该图中电阻有10%10%的的极限误差，三极管的参数极限误差，三极管的参数h hfefe变化为变化为20702070，E EC C=5V=5V，V Vbesbes=0.8V=0.8V， Vces=0.3V均不变。试问如何选择驱动信号均不变。试问如何选择驱动信号VS

10、才能使电路可靠工作？才能使电路可靠工作？最坏情况设计最坏情况设计解：由于解：由于故有故有上式中上式中N为保证可靠地驱动该电路的系数，一般情况取为保证可靠地驱动该电路的系数，一般情况取 N2，另外实际电路，另外实际电路的驱动电流的驱动电流为了可靠地驱动该电路，必须在任何情况下都要求为了可靠地驱动该电路，必须在任何情况下都要求IIb。最坏情况设最坏情况设计的目的是要求在最坏情况下，仍能够保证有足够的驱动电流，即：计的目的是要求在最坏情况下，仍能够保证有足够的驱动电流，即：最坏情况设计最坏情况设计返回电路漂移设计电路漂移设计电路漂移设计电路漂移设计电路漂移设计电路漂移设计电路漂移设计电路漂移设计电路

11、漂移设计电路漂移设计电路漂移设计电路漂移设计返回元器件误差统计分析元器件误差统计分析2211221),(nnynyxfxfmmmfm元器件误差统计分析元器件误差统计分析22112821rnnrRsrfrfrrrR元器件误差统计分析元器件误差统计分析返回83.142361.473/803/1082222212RSrnrRsRKR用百分比表示的极限误差为：用百分比表示的极限误差为：%8 . 13SRR电磁兼容性设计电磁兼容性设计n什么是电磁兼容性问题？n电子电路、设备、系统在工作时由于相互干扰或受到外界的干扰使其达不到预期的技术指标；n设备虽然没有直接受到干扰的影响，但不能通过国家的电磁兼容标准，

12、如计算机设备产生超过电磁发射标准规定的极限值，或在电磁敏感度、静电敏感度上达不到要求。 n印制电路板设计n各级电路连接应尽量缩短,尽可能减少寄生耦合,高频电路尤其要注意；n高频线路应尽量避免平行排列导线以减少寄生耦合,更不能象低频电路那样连线扎成一束；n设计各级电路应尽量按原理图顺序排列布置,避免各级电路交叉排列；n每级电路的元器件应尽量靠近各级电路的晶体管和电子管,不应分布得太远,应尽量使各级电路自成回路；n各级均应采用一点接地或就近接地,以防止地电流回路造成干扰,应将大电流地线和沁电流回路的地线分开设置,以防止大电流流进公共地线产生较强的耦合干扰； n对于会产生较强电磁场的元件和对电磁场感

13、应较灵敏的元件,应垂直布置、远离或加以屏蔽以防止和减小互感耦合；n处于强磁场中的地线不应构成闭合回路,以避免出现地环路电流而产生干扰；n电源供电线应靠近（电源的）地线并平行排列以增加电源滤波效果 n屏蔽机箱n电源线滤波n信号线滤波n接地n电缆设计等 电磁兼容性设计电磁兼容性设计返回热设计n原因与目的原因与目的n电子产品可靠性对温度是非常敏感，但温度升高时，器件故障率迅速增大；如电路板变形n合理温度布局，控制温度，提高可靠性n 对电子设备进行热设计的要求 n 通过热设计在满足性能要求下尽可能减少 仪器内部产生的热量；n 通过热设计设法减少热阻；n 通过热设计能保证设备和元器件能在较低 的温度条件

14、下工作，以便做到减少参数漂 移保持电性能的稳定，从而提高可靠性。热设计n 对电子设备进行热设计的基本方法n提高元件、材料的允许工作温度n减少设备的发热量n用冷却的方法改变环境温度并加快散热速度热设计热设计n散热n传导散热方法 n对流散热方式 n利用热辐射特性方式 n加装散热器n制冷n自然冷却n强迫空气冷却n冷板式冷却 热设计热设计热设计热设计参数优化设计三次设计n第一次设计系统设计n第二次设计参数（优化）设计n采用优化设计方法，得到优良的参数组合，使产品具有较好采用优化设计方法，得到优良的参数组合，使产品具有较好的性能。的性能。n第三次设计容许差设计n根据可靠性、精度、成本等方面的要求，确定各

15、参数的允许根据可靠性、精度、成本等方面的要求，确定各参数的允许变化范围。变化范围。质量损失函数n概念概念n反映产品质量、性能指标等变化与经济性之间的关系反映产品质量、性能指标等变化与经济性之间的关系n由日本学者田口玄一研究质量经济性时提出的由日本学者田口玄一研究质量经济性时提出的n质量损失函数质量损失函数L(y)：若产品设计、出厂时未达到预定的指标值：若产品设计、出厂时未达到预定的指标值m，就会使使用成本就会使使用成本Q增加，实际指标增加，实际指标y带来的使用成本带来的使用成本Q（y）与达到预）与达到预定指标定指标m带来的使用成本带来的使用成本Q（m）之差）之差 L(y)= Q（y）- Q（m） =2)(myK质量损失函数n功能界限n指产品性能指标偏离其中心值直到使产品功能完全丧失的范围n容许差n产品出厂公差的1/2，是产品合格与否的判据:m - y m +DAmyDyL22)()(D-当产品的性能指标为功能界限时的质量损失当产品的性能指标为功能界限时的质量损失 D=L(m)A-使产品的性能指标达到标称中心值使产品的性能指标达到标称中心值m时的质量损失时的质量损失 质量损失函数举例举例n电视机的电源电路直流输出电压的标称中心值电视机的电源电路直流输出电压的标称中心值为为m=115V，功能界限，功能界限=25V=25V，当电源的输，当电源的输出电压恰好在功能界限时