可靠性-电子系统可靠性设计

1、8. 电子系统和电子元器件可靠性设计分析系统可靠性设计分析技术是在对电子产品研究的基础上发展起来的，其中的许多技术不但适用于电子产品也同样适用于非电子产品，这些技术已在前面介绍过了。本章将介绍一些电子产品专用或具有较强电子产品特色的技术，如降额设计、热设计、冗余设计、电磁兼容性设计等技术。电子元器件可靠性设计是指在功能设计的同时，针对产品在规定的条件下和规定的时间内可能出现的失效模式，采取相应的设计技术，以消除或控制其失效模式，使产品满足规定的可靠性要求。电子产品的可靠性设计分析工作首先是电子元器件的选择和使用，正确有效的开展此项工作是实现高可靠性水平系统设计的基础。此外电子产品的可靠性设计分

2、析工作还应考虑环境条件的影响，耐环境设计技术是其重要手段。4.1 降额设计 所谓降额设计,就是使元器件运用于比额定值低的应力状态的一种设计技术。为了提高元器件的使用可靠性以及延长产品的寿命,必须有意识地降低施加在器件上的工作应力（如：电、热、机械应力等）,降额的条件及降额的量值必须综合确定,以保证电路既能可靠地工作,又能保持其所需的性能。降额的措施也随元器件类型的不同而有不同的规定,如电阻降额是降低其使用功率与额定功率之比;电容降额是使工作电压低于额定电压;半导体分立器件降额是使功耗低于额定值;接触元件则必须降低张力、扭力、温度和降低其它与特殊应用有关的限制。 电子元器件的降额,通常有一个最佳

3、的降额范围,在这个范围内,元器件的工作应力的变化对其失效率有显著的影响,设计也易于实施,而且不需要设备的重量、体积、成本方面付出太大的代价。因此,应根据元器件的具体应用情况来确定适当的降额水平。因为若降额不够则元器件的失效率会比较大,不能达到可靠性要求;反之,降额过度,将使设备的设计发生困难,并将在设备的重量、体积、成本方面付出较大的代价,还可能使元器件数量产生不必要的增加,这样反而会使设备可靠性下降。降额的等级分为三个等级,分别称为级降额、级降额和级降额。级降额是最大降额,超过它的更大降额,元器件的可靠性增长有限,而且使设计难以实现。级降额适用于下述情况：设备的失效将严重危害人员的生命安全,

4、可能造成重大的经济损失,导致工作任务的失败,失败后无法维修或维修在经济上不合算等。级降额指元器件在该范围内降额时,设备的可靠性增长是急剧的,且设备设计较级降额易于实现。级降额适用于设备的换效会使工作水平降级或需支付不合理的维修费用等场合。级降额指元器件在该范围内降额时设备的可靠性增长效益最大,且在设备设计上实现困难最小,它适用于设备的失效对工作任务的完成影响小、不危及工作任务的完成或可迅速修复的情况。4.2 热设计由于现代电子设备所用的电子元器件的密度越来越高,这将使元器件之间通过传导、辐射和对流产生热耦合。因此,热应力已经成为影响电子元器件失效率的一个最重要的因素。对于某些电路来说,可靠性几

5、乎完全取决于热环境。所以,为了达到预期的可靠性目的,必须将元器件的温度降低到实际可以达到的最低水平。有资料表明：环境温度每提高10,元器件寿命约降低1/2。这就是有名的“10法则”。热设计包括散热、加装散热器和制冷三类技术,这里主要介绍散热技术。应用中常采用的方法：第一种是传导散热方法,可选用导热系数大的材料来制造传热元件,或减小接触热阻并尽量缩短传热路径。第二种是对流散热方式,对流散热方式有自然对流散热和强迫对流散热两种方法。自然对流散热应注意以下几点：1 设计印制板和元器件时必须留出多余空间;2 安排元器件时,应注意温度场的合理分布;3 充分重视应用烟囱拨风原理;4 加大与对流介质的接触面

6、积。第三种是利用热辐射特性方式,可以采用加大发热体表面的粗糙度、加大辐射体周围的环境温差或加大辐射体表面的面积等方法。在热设计中,最常采用的方法是加散热器,其目的是控制半导体的温度,尤其是结温Tj,使其低于半导体器件的最大结温,从而提高半导体器件的可靠性。散热器热阻是选择散热器的主要依据。电子产品常用的冷却方法主要要：自然冷却、强迫空气冷却、冷板式冷却等。自然冷却是最简单、最经济的散热方法，缺点是散热能力较差。4.3 冗余设计 冗余设计是用一台或多台相同单元（系统）构成并联形式,当其中一台发生故障时,其它单元仍能使系统正常工作的设计技术。冗余按特点分为热冗余储备和冷冗余储备;按冗余程度分,有两

7、重冗余、三重冗余、多重冗余;安冗余范围分,有元器件冗余、部件冗余、子系统冗余和系统冗余。这种设计技术通常应用在比较重要,而且对安全性及经济性要求较高的场合,如锅炉的控制系统、程控交换系统、飞行器的控制系统等。 4.4 电磁兼容性设计电磁兼容性设计也就是耐环境设计。首先要明白什么是电磁兼容性问题,电磁兼容性问题可以分为两类：一类是电子电路、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;另一类电磁兼容性问题就是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,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。为了使设备或系统达到电磁兼容状态,通常采用印制电路板设计、屏蔽机箱、电源线滤波、信号线滤波、接地、电缆设计等技术。印制电路板在设计布置时,应注意以下几点：1 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；2 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；3 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；4 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；5 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