1、電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)程真英2013.9.4電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)n元器件的選用與控制元器件的選用與控制(GJB546-88，電子元器件可靠，電子元器件可靠性保證大綱性保證大綱 )n電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)原則電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)原則n降額設(shè)計(jì)降額設(shè)計(jì)(GJB/Z35-93，元器件降額準(zhǔn)則，元器件降額準(zhǔn)則 )n冗余設(shè)計(jì)冗余設(shè)計(jì)n最壞情況設(shè)計(jì)最壞情況設(shè)計(jì)n電路漂移設(shè)計(jì)電路漂移設(shè)計(jì)n元器件誤差統(tǒng)計(jì)分析元器件誤差統(tǒng)計(jì)分析n電磁兼容性設(shè)計(jì)電磁兼容性設(shè)計(jì) n熱設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)(GJBZ27-92，電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)），電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)）電子元器件的選擇與使用電子元器件的選擇與

2、使用n為什么要控制選擇與正確使用電子元器件為什么要控制選擇與正確使用電子元器件n電子元器件的失效規(guī)律電子元器件的失效規(guī)律n我國(guó)電子元器件的標(biāo)準(zhǔn)概況我國(guó)電子元器件的標(biāo)準(zhǔn)概況n元器件的選擇控制元器件的選擇控制n元器件的正確使用元器件的正確使用返回為什么要控制電子元器件的選為什么要控制電子元器件的選擇與正確使用擇與正確使用n電子元器件是電子、電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，是能夠完成預(yù)定功能而不能再分割的電路基本單元，其自身的可靠性是十分重要的；n設(shè)計(jì)人員注重元器件的功能與性能，不關(guān)心其“質(zhì)量等級(jí)”、“失效率等級(jí)”；n元器件的采購(gòu)缺乏產(chǎn)品可靠性概念，渠道不暢、不穩(wěn)；n元器件的使用：近一半的元器件失效并非由于元器

3、件本身的固有可靠性不高，而是由于使用者對(duì)元器件選擇不當(dāng)或使用有誤。航天部半導(dǎo)體器件失效分析中心的統(tǒng)計(jì)數(shù)字：電子元器件的失效規(guī)律電子元器件的失效規(guī)律n電子元器件的失效原因n制造質(zhì)量問(wèn)題n可靠性問(wèn)題n耗損問(wèn)題n設(shè)計(jì)問(wèn)題電子元器件的失效規(guī)律電子元器件的失效規(guī)律n電子元器件的典型失效率曲線返回電子元器件的質(zhì)量等級(jí)電子元器件的質(zhì)量等級(jí)質(zhì)量等級(jí)質(zhì)量等級(jí)：是指元器件裝機(jī)使用之前，在制造、試驗(yàn)及篩選過(guò)程中其質(zhì)量的控制等級(jí)。 它對(duì)元器件的失效率有很大的影響。目前，預(yù)計(jì)國(guó)外、國(guó)內(nèi)元器件失效率時(shí)，用質(zhì)量系數(shù)Q作為不同質(zhì)量等級(jí)對(duì)元器件工作失效率影響的調(diào)整系數(shù)。國(guó)外電子元器件的質(zhì)量等級(jí)半導(dǎo)體集成電路質(zhì)量系數(shù)等級(jí)返回國(guó)內(nèi)

4、元器件的質(zhì)量等級(jí)電子元器件的質(zhì)量等級(jí)電子元器件的質(zhì)量等級(jí)元器件的選擇與控制元器件的選擇與控制n目的n保證元器件的性能、質(zhì)量等應(yīng)滿(mǎn)足產(chǎn)品要求；n保證暢通的采購(gòu)渠道、穩(wěn)定的貨源；n減少品種；n降低采購(gòu)費(fèi)用；n正確的使用。n選擇控制的總原則n元器件的技術(shù)性能、質(zhì)量等級(jí)、使用條件等應(yīng)滿(mǎn)足產(chǎn)品要求；n優(yōu)先選用經(jīng)實(shí)踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途且供應(yīng)渠道可靠的標(biāo)準(zhǔn)元器件；n在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)最大限度地壓縮元器件的品種、規(guī)格及其生產(chǎn)廠點(diǎn)；n要嚴(yán)格控制新研元器件的使用。元器件的選擇與控制元器件的選擇與控制n國(guó)產(chǎn)電子元器件的優(yōu)選順序國(guó)產(chǎn)電子元器件的優(yōu)選順序n按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB）、“七專(zhuān)

5、”技術(shù)條件（QZJ）、電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)（SJ）執(zhí)行n“七專(zhuān)”產(chǎn)品n推薦品種n保留品種n適用品種n國(guó)外電子元器件的優(yōu)選國(guó)外電子元器件的優(yōu)選n國(guó)外已形成了一系列的軍用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范n國(guó)外元器件質(zhì)量等級(jí)、命名標(biāo)志及選購(gòu)指南n問(wèn)題n忽視檢測(cè)n概念模糊，選擇不當(dāng)：“軍用溫度范圍”當(dāng)“軍品”n要求不明，采購(gòu)不當(dāng)，渠道混亂，受騙上當(dāng)返 回元器件的正確使用元器件的正確使用n使用中存在的問(wèn)題使用中存在的問(wèn)題n對(duì)元器件的性能掌握不夠。n測(cè)試不當(dāng)或測(cè)量?jī)x器接地不當(dāng)而燒毀電路。n調(diào)機(jī)不當(dāng)，造成損傷n靜電損傷值得注意n措施措施n降額使用n熱設(shè)計(jì)n抗輻射設(shè)計(jì)n防靜電設(shè)計(jì)n操作過(guò)程中的問(wèn)題n儲(chǔ)存與保管的問(wèn)題元器件的正確使用元器件

6、的正確使用n抗輻射設(shè)計(jì)抗輻射設(shè)計(jì)n航天器中使用的元器件：外空間的各種輻射n核爆炸環(huán)境：高能中子和射線n防靜電設(shè)計(jì)防靜電設(shè)計(jì)n制造過(guò)程(人的靜電防護(hù))n儲(chǔ)存n運(yùn)輸過(guò)程n操作過(guò)程中的問(wèn)題操作過(guò)程中的問(wèn)題n安裝的機(jī)械損傷n儲(chǔ)存與保管的問(wèn)題儲(chǔ)存與保管的問(wèn)題n存儲(chǔ)環(huán)境返回電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)基本原則電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)基本原則n 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和電路應(yīng)盡量簡(jiǎn)便。n 盡量選用成熟的結(jié)構(gòu)和典型的電路。n 結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單化、模塊化、插件化。n 如采用新電路，應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)化。n 采用新技術(shù)要充分注意繼承性。n 盡量采用數(shù)字電路。n 盡量采用集成電路。n 邏輯電路要進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。n 對(duì)性能指標(biāo)、可靠性指標(biāo)要綜合考慮。n 應(yīng)盡量采

7、用傳統(tǒng)工藝和習(xí)慣的操作方法。n 應(yīng)不斷采用新的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。降額設(shè)計(jì)降額設(shè)計(jì)n降額：使元器件在低于 其額定值的應(yīng)力 條件下工作。降額設(shè)計(jì)降額設(shè)計(jì)n降額設(shè)計(jì)概念與目的降額設(shè)計(jì)概念與目的n降額設(shè)計(jì)就是使元器件或設(shè)備工作時(shí)承受的工作應(yīng)力適當(dāng)降低于元器件或設(shè)備的額定值；n降低基本故障率、提高使用可靠性的目的；n降額主要因素：電應(yīng)力和溫度n降額設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：降額的程度與效果；n降額等級(jí)降額等級(jí)n級(jí)降額：最大適用于故障危及安全、導(dǎo)致任務(wù)失敗和造成重大經(jīng)濟(jì)損失的情況；n級(jí)降額：適用于故障使任務(wù)降級(jí)和增加不合理的維修費(fèi)用；n級(jí)降額：適用于故障對(duì)任務(wù)完成影響很小和少量的維修。降額準(zhǔn)則說(shuō)明降額準(zhǔn)則說(shuō)明降額設(shè)計(jì)原則

8、降額設(shè)計(jì)原則n降額設(shè)計(jì)原則降額設(shè)計(jì)原則n各類(lèi)元器件均有一個(gè)最佳的降額范圍，在此范圍內(nèi)應(yīng)力變化對(duì)其故障率影響較大。過(guò)度的降額也不可取，增加元器件的數(shù)量；降額到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；過(guò)度降額反而有害：大功率晶體管在小電流下，大大降低放大系數(shù)而且參數(shù)穩(wěn)定性降低；繼電器的線包電流不僅不能降低，反而應(yīng)在額定值之上，否則影響可靠的接觸；n電應(yīng)力降額容易，對(duì)溫度降額，主要依靠熱設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)；n降額提高可靠性，但要綜合考慮可靠性、體積、重量和費(fèi)用等問(wèn)題；n根據(jù)設(shè)計(jì)、可靠性等的需要進(jìn)行，一般參照GJB/Z-35元器件降額準(zhǔn)則。返回冗余設(shè)計(jì)冗余設(shè)計(jì)冗余設(shè)計(jì)：用一臺(tái)或多臺(tái)相同單元（系 統(tǒng)）并行工作，當(dāng)其

9、中一 臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，其它單元仍能 使系統(tǒng)正常工作的設(shè)計(jì)技術(shù)。u如： 并聯(lián)系統(tǒng) 儲(chǔ)備系統(tǒng)等返回簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)n例6-1 設(shè)有一數(shù)字邏輯電路，將其盡可能簡(jiǎn)化成相同功能的數(shù)字邏輯電路。原數(shù)字邏輯電路原數(shù)字邏輯電路簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化的數(shù)字邏輯電路簡(jiǎn)化的數(shù)字邏輯電路最壞情況設(shè)計(jì)最壞情況設(shè)計(jì)例例6-2 某反相器電路見(jiàn)圖某反相器電路見(jiàn)圖6-7，該圖中電阻有，該圖中電阻有10%10%的的極限誤差，三極管的參數(shù)極限誤差，三極管的參數(shù)h hfefe變化為變化為20702070，E EC C=5V=5V，V Vbesbes=0.8V=0.8V， Vces=0.3V均不變。試問(wèn)如何選擇驅(qū)動(dòng)信號(hào)均不變。試問(wèn)如何選擇驅(qū)動(dòng)信號(hào)

10、VS才能使電路可靠工作？才能使電路可靠工作？最壞情況設(shè)計(jì)最壞情況設(shè)計(jì)解：由于解：由于故有故有上式中上式中N為保證可靠地驅(qū)動(dòng)該電路的系數(shù)，一般情況取為保證可靠地驅(qū)動(dòng)該電路的系數(shù)，一般情況取 N2，另外實(shí)際電路，另外實(shí)際電路的驅(qū)動(dòng)電流的驅(qū)動(dòng)電流為了可靠地驅(qū)動(dòng)該電路，必須在任何情況下都要求為了可靠地驅(qū)動(dòng)該電路，必須在任何情況下都要求IIb。最壞情況設(shè)最壞情況設(shè)計(jì)的目的是要求在最壞情況下，仍能夠保證有足夠的驅(qū)動(dòng)電流，即：計(jì)的目的是要求在最壞情況下，仍能夠保證有足夠的驅(qū)動(dòng)電流，即：最壞情況設(shè)計(jì)最壞情況設(shè)計(jì)返回電路漂移設(shè)計(jì)電路漂移設(shè)計(jì)電路漂移設(shè)計(jì)電路漂移設(shè)計(jì)電路漂移設(shè)計(jì)電路漂移設(shè)計(jì)電路漂移設(shè)計(jì)電路漂移設(shè)計(jì)

11、電路漂移設(shè)計(jì)電路漂移設(shè)計(jì)電路漂移設(shè)計(jì)電路漂移設(shè)計(jì)返回元器件誤差統(tǒng)計(jì)分析元器件誤差統(tǒng)計(jì)分析2211221),(nnynyxfxfmmmfm元器件誤差統(tǒng)計(jì)分析元器件誤差統(tǒng)計(jì)分析22112821rnnrRsrfrfrrrR元器件誤差統(tǒng)計(jì)分析元器件誤差統(tǒng)計(jì)分析返回83.142361.473/803/1082222212RSrnrRsRKR用百分比表示的極限誤差為：用百分比表示的極限誤差為：%8 . 13SRR電磁兼容性設(shè)計(jì)電磁兼容性設(shè)計(jì)n什么是電磁兼容性問(wèn)題？n電子電路、設(shè)備、系統(tǒng)在工作時(shí)由于相互干擾或受到外界的干擾使其達(dá)不到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)；n設(shè)備雖然沒(méi)有直接受到干擾的影響，但不能通過(guò)國(guó)家的電磁兼容標(biāo)

12、準(zhǔn)，如計(jì)算機(jī)設(shè)備產(chǎn)生超過(guò)電磁發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值，或在電磁敏感度、靜電敏感度上達(dá)不到要求。 n印制電路板設(shè)計(jì)n各級(jí)電路連接應(yīng)盡量縮短,盡可能減少寄生耦合,高頻電路尤其要注意；n高頻線路應(yīng)盡量避免平行排列導(dǎo)線以減少寄生耦合,更不能象低頻電路那樣連線扎成一束；n設(shè)計(jì)各級(jí)電路應(yīng)盡量按原理圖順序排列布置,避免各級(jí)電路交叉排列；n每級(jí)電路的元器件應(yīng)盡量靠近各級(jí)電路的晶體管和電子管,不應(yīng)分布得太遠(yuǎn),應(yīng)盡量使各級(jí)電路自成回路；n各級(jí)均應(yīng)采用一點(diǎn)接地或就近接地,以防止地電流回路造成干擾,應(yīng)將大電流地線和沁電流回路的地線分開(kāi)設(shè)置,以防止大電流流進(jìn)公共地線產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合干擾； n對(duì)于會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)電磁場(chǎng)的元件和對(duì)電磁

13、場(chǎng)感應(yīng)較靈敏的元件,應(yīng)垂直布置、遠(yuǎn)離或加以屏蔽以防止和減小互感耦合；n處于強(qiáng)磁場(chǎng)中的地線不應(yīng)構(gòu)成閉合回路,以避免出現(xiàn)地環(huán)路電流而產(chǎn)生干擾；n電源供電線應(yīng)靠近（電源的）地線并平行排列以增加電源濾波效果 n屏蔽機(jī)箱n電源線濾波n信號(hào)線濾波n接地n電纜設(shè)計(jì)等 電磁兼容性設(shè)計(jì)電磁兼容性設(shè)計(jì)返回?zé)嵩O(shè)計(jì)n原因與目的原因與目的n電子產(chǎn)品可靠性對(duì)溫度是非常敏感，但溫度升高時(shí)，器件故障率迅速增大；如電路板變形n合理溫度布局，控制溫度，提高可靠性n 對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的要求 n 通過(guò)熱設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足性能要求下盡可能減少 儀器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量；n 通過(guò)熱設(shè)計(jì)設(shè)法減少熱阻；n 通過(guò)熱設(shè)計(jì)能保證設(shè)備和元器件能在較低 的溫度

14、條件下工作，以便做到減少參數(shù)漂 移保持電性能的穩(wěn)定，從而提高可靠性。熱設(shè)計(jì)n 對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的基本方法n提高元件、材料的允許工作溫度n減少設(shè)備的發(fā)熱量n用冷卻的方法改變環(huán)境溫度并加快散熱速度熱設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)n散熱n傳導(dǎo)散熱方法 n對(duì)流散熱方式 n利用熱輻射特性方式 n加裝散熱器n制冷n自然冷卻n強(qiáng)迫空氣冷卻n冷板式冷卻 熱設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)三次設(shè)計(jì)n第一次設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)n第二次設(shè)計(jì)參數(shù)（優(yōu)化）設(shè)計(jì)n采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，得到優(yōu)良的參數(shù)組合，使產(chǎn)品具有較好采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，得到優(yōu)良的參數(shù)組合，使產(chǎn)品具有較好的性能。的性能。n第三次設(shè)計(jì)容許差設(shè)計(jì)n根據(jù)可靠性、精度、成本等方面的要求，確

15、定各參數(shù)的允許根據(jù)可靠性、精度、成本等方面的要求，確定各參數(shù)的允許變化范圍。變化范圍。質(zhì)量損失函數(shù)n概念概念n反映產(chǎn)品質(zhì)量、性能指標(biāo)等變化與經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系反映產(chǎn)品質(zhì)量、性能指標(biāo)等變化與經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系n由日本學(xué)者田口玄一研究質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性時(shí)提出的由日本學(xué)者田口玄一研究質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性時(shí)提出的n質(zhì)量損失函數(shù)質(zhì)量損失函數(shù)L(y)：若產(chǎn)品設(shè)計(jì)、出廠時(shí)未達(dá)到預(yù)定的指標(biāo)值：若產(chǎn)品設(shè)計(jì)、出廠時(shí)未達(dá)到預(yù)定的指標(biāo)值m，就會(huì)使使用成本就會(huì)使使用成本Q增加，實(shí)際指標(biāo)增加，實(shí)際指標(biāo)y帶來(lái)的使用成本帶來(lái)的使用成本Q（y）與達(dá)到預(yù)）與達(dá)到預(yù)定指標(biāo)定指標(biāo)m帶來(lái)的使用成本帶來(lái)的使用成本Q（m）之差）之差 L(y)= Q（y）- Q（m） =2)(myK質(zhì)量損失函數(shù)n功能界限n指產(chǎn)品性能指標(biāo)偏離其中心值直到使產(chǎn)品功能完全喪失的范圍n容許差n產(chǎn)品出廠公差的1/2，是產(chǎn)品合格與否的判據(jù):m - y m +DAmyDyL22)()(D-當(dāng)產(chǎn)品的性能指標(biāo)為功能界限時(shí)的質(zhì)量損失當(dāng)產(chǎn)品的性能指標(biāo)為功能界限時(shí)的質(zhì)量損失 D=L(m)A-使產(chǎn)品的性能指標(biāo)達(dá)到標(biāo)稱(chēng)中心值使產(chǎn)品的性能指標(biāo)達(dá)到標(biāo)稱(chēng)中心值m時(shí)的質(zhì)量損失時(shí)的質(zhì)量損失 質(zhì)量損失函數(shù)舉例舉例n電視機(jī)的電源電路直流輸出電壓的標(biāo)稱(chēng)中心值電視機(jī)的電源電路直流輸出電壓的標(biāo)稱(chēng)中心值為為m=115V，功能界限，功能界限=25V=25V，當(dāng)電源的輸，當(dāng)電源的輸出電壓恰好在功能界限時(shí)