电子设备的可靠性设计技术

下面介绍电子设备可靠性设计方法。
1.可靠性预计
电子设备的最大特点是其元器件寿命服从指数分布，即故障率为常数。所以，可用公式预计其可靠性指标。
电子设备均是由电阻、电容、二极管、三极管、集成电路等标准化程度很高的电子元器件组成，而对于标准元器件现已积累了大量的试验、统计数据，已有成熟的预计标准和手册。对于国产电子元器件，可采用国家军用标准GJB/Z 299A—91《电子设备可靠性预计手册》进行预计；而对于进口电子元器件，则可采用美国军标MIL-HDBK-217E《电子设备可靠性预计》进行预计。
（1）元件计数法 这种方法适用于方案论证和初步设计阶段。其通用计算公式为

式中 λs——系统的总故障率（l/h）；
λgi——第i种元器件的通用故障率（l/h）；
πqi——第i种元器件的通用质量系数；
Ni——第i种元器件的数量；
n——设备所用元器件的种类数目。
（2）元器件应力分析法 适用于电子设备详细设计阶段，此时已具备了详细的元器件清单、电应力比、环境温度等信息。这种方法的预计结果比计数法要准确些。但计算比较繁琐。其计算公式为

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——环境系数；
πq——质量系数；
πr——电流额定值系数；
πa——应用系数；
πs——电压应力系数；
πc——配置系数。
然后按下式求得系统的故障率（λs）：



式中 λpi——第i种元器件的故障率（l/h）；
Ni——第i种元器件的数量；
N——系统中元器件种类数。
2.元器件的选择与控制
电子元器件的选择与控制是保证系统固有可靠性、减少元器件规格品种、降低保障费用的有效措施。
应根据电子设备可靠性要求确定本企业在元器件的选择与控制中应采取的具体措施。一般情况下，注意做到：
1）建立元器件选用的控制机构；
2）制定元器件控制方案，控制标准和非标准元器件的使用，拟定元器件优选清单；
3）对转承制方的元器件选用进行控制；
4）进行必要的应力筛选。具体的筛选方法可参阅本书6.2节。
3.降额设计
降额设计是使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值，从而达到降低基本故障率，保证系统可靠性的目的。电子元器件的故障率对电应力和温度应力比较敏感，因此降额设计是电子产品可靠性设计中的最常用的方法。
各类电子元器件，都有其最佳的降额范围。此时，工作应力的变化对其失效率有明显的影响，设计上也容易实现，并且在设备体积、重量和成本方面不会付出太大的代价。
在电子元器件的最佳降额范围内，一般可分成三个降额等级：
1）Ⅰ级降额。级降额是最大的降额，适用于设备故障将会危及安全，导致任务失败和造成严重经济损失的情况。
2）Ⅱ级降额。
3）Ⅲ级降额。Ⅲ级降额是最小的降额，这种降额的可靠性增长效果和所花费的代价相比是最高的。
4.热设计
电子设备热设计的基本任务是：通过热设计在满足性能要求的前提下尽可能减少设备内部产生的热量；减少热阻；选择合理的冷却方式。
热设计的基本程序是：
1）首先明确设计条件，如设备的功耗、发热量、容许温升、设备外形尺寸、设备放置的环境条件等；
2）决定设备的冷却方式，并检查是否满足原始条件；
3）分别对元件、线路、印制电路板和机箱进行热设计；
4）按热设计检查表进行检查，确定是否满足设计要求。
5.冗余设计
冗余是指系统或设备中具有多于一种手段执行同一种规定功能的能力。设置冗余可提高系统的可靠性，但同时又增加了系统的复杂性、重量和体积。一种工程经验认为：采用更可靠的元器件、简化设计和降额设计等方法仍不能满足系统可靠性要求时才考虑采用冗余。另一种工程经验则认为：当经费和进度都有限止时，采用成熟设计的冗余技术是实现高可靠性的有效途径。因此，是否采用冗余全视具体场合而定。
冗余并非适用于所有的场合，一般在低层次和关键关节的情况下使用可获得较好的效果。同时，还需注意，某些冗余技术的采用需增加若干故障检测和冗余通道切换装置，它们的失效率应远低于受控部分时，才能发挥冗余技术的优越性。
冗余设计的主要任务是：
1）确定冗余等级；
2）选定冗余类型；
3）确定冗余配置方案；
4）确定冗余管理方案。
6.电磁兼容设计
系统的电磁兼容性的定义为：系统所有的电气及电子系统，包括其分系统、仪器、设备、组件、元件等，在执行预定的任务时遇到的各种电磁环境（系统内部的、外部的、人为的及天然的）中，其性能不降低、参数不超出容许的上下限，而仍能协调地、有效地工作的能力。
随着技术的发展，系统日趋复杂，电子计算机的广泛应用及电子电路集成度的提高，电磁兼容性问题也日趋严重，这已日益成为人们的共识。一个可靠的系统，在规定的条件下，在任何工作时间里，必须保持电磁兼容，否则表明系统存在故障，因而是不可靠的。
电磁干扰主要有三个来源：功能干扰源、非功能干扰源和自然干扰源。如按传播途径分类可分为传导干扰源和辐射干扰源。若按频带分类则可分为窄频带干扰和宽频带干扰。
为了使系统能具有电磁兼容，在进行总体设计时，要注意解决好下列问题：频率和频谱的选择、信号电平的选择、阻抗的选择、仪器及电路的布置。在电磁兼容设计中，要在接地与搭接、屏蔽、滤波、电缆网设计、仪器电路设计、结构设计、材料和零组件及其工艺、防静电等方面采取措施。最后，还必须进行电磁兼容性测试验证。
7.容差分析
电子元器件和电路的容差分析是作为一个可靠性工作项目列入国家军用标准GJB 450—88《装备研制与生产的可靠性通用大纲》的。其目的是为了保证电路的输出或设备的参数都能保持在规定的范围内。这种分析主要是考虑制造的离散性及温度、退化等因素对元器件参数变化的影响。
随着健壮性设计方法的推广，现今已将容差分析作为三次设计，即系统设计、参数设计和容差设计的一部分来进行。
8.潜电路分析
所谓潜电路指的是：某种条件下，电路中产生的不希望有的通路。它的存在会引起功能异常或抑制正常功能。潜电路分析的目的是：在假定所有组件均正常工作的情况下，分析哪些是能引起功能异常或抑制正常功能的潜在电路，从而为改进设计提供依据。
为了查出潜电路，先要列出电路所存在的一切通路。为了简化起见，须略去不必要的部分，但必须保持连通电源和接地总线通路，略去无关路径。此过程工作量较大，一般要用计算机完成。可在此基础上产生网络树。这种网络树规定：把所有电源置于每一网络树的顶端，而底部是地，并使电路按电流自上而下的规则排列。由网络树可判断出存在的潜电路。
进行潜电路分析时，一般不考虑环境变化的影响，也不去识别由于某些硬件故障等原因引起的潜电路。潜电路分析只注重系统各元件、部件之间的相互连接、相互关系及相互影响，而不注重元件、部件本身的可靠性。在进行潜电路分析时，使用详细的生产图及安装图要比使用系统级或功能级图样更为有效。