在可靠性設計中,首要問題是精選元器件,使之滿足長期穩(wěn)定運行精度的要求。元器件的可靠性包括元器件的失效特性、失效機理,抗干擾性能,文中的分析顯然對該領域有借鑒價值。要使電子設備具有預期的可靠性,就必須使所有的相關人員了解可靠性知識,有意識地共同做好可靠性工作。本文基于這一方向,進行了電子設備的可靠性設計技術分析。
1. 電子設備可靠性預計
電子元器件壽命服從指數(shù)分布是其設備的一個最大特點,也就是故障率是常數(shù)。因此,它的可靠性指標可以通過公式進行預測。構成電子設備的元器件都具備較高的標準化,包括:電阻、電容、二/三極管以及集成電路等,而目前已經(jīng)積累了很多標準元器件方面的試驗與統(tǒng)計數(shù)據(jù),現(xiàn)有的預計標準與手冊是比較成熟的。國家軍用標準gjb/z 299a-91《電子設備可靠性預計手冊》適用于國產電子元器件的預計,而美國軍標mil-hdbk-217e《電子設備可靠性預計》則適用于進口電子元器件的預計。
2. 電子元器件的選擇與控制
要是系統(tǒng)的可靠性得到保障,元器件規(guī)格種類與保障費用減少,最有效的一個措施就是對電子元器件的選擇與控制。
企業(yè)在選擇與控制電子設備元器件時應根據(jù)可靠性要求采取相應的措施,通常需要注意的是:
(1)建立元器件采用的控制機制;
(2)針對元器件控制制定相應的方案,控制所有元器件的使用,編制元器件選擇清單;
(3)在選用轉承制方的元器件時要進行相應的控制;
(4)必要時進行相應的應力篩選。篩選方法參考本文第六節(jié)。
3. 電子元器件的降額設計
降額設計的目的是使電子元器件的工作應力比所規(guī)定的額定值低,以使基本故障率降低,從而保證系統(tǒng)的可靠性。電應力與溫度應力對其故障率的影響較為明顯,所以,在電子產品的可靠性設計中,使用最多的一個方法就是降額設計。
所有的電子元器件都有最適宜的降額范圍。這個時候,它的失效率由于工作應力的變化而受到的影響是最大的,也便于設計,同時,設備的重量與體積以及成本等都相對較小。
在電子元器件最適宜的降額范圍內,其降額等級可分為ⅰ級、ⅱ級、ⅲ級,降額等級中最大的是ⅰ級降額,其次是ⅱ級,最小的是ⅲ級。如果所發(fā)生的故障會對整個系統(tǒng)的安全造成威脅并會導致嚴重的后果,則要采用ⅰ級降額;而所需成本與可靠性增長效果最大就是ⅲ級降額。
4. 電子元器件的熱設計
熱設計的基本任務是:在滿足性能要求的基礎上使設備內部盡量少產生熱量與熱阻,選擇恰當?shù)睦鋮s方式。
熱設計的基本步驟:
(1)第一步要明確設備的損耗、發(fā)熱量、設備規(guī)格與所處環(huán)境等多個設計條件;
(2)確定設備的冷卻方式,并對滿足原始條件與否進行檢查;
(3)對相關構件進行熱設計,如:元件、線路、印制電路板以及機箱;
(4)檢查要遵照熱設計檢查表,對于是否滿足設計要求進行確定。
5. 電子元器件的冗余設計
冗余指的是系統(tǒng)中有一種以上的手段來執(zhí)行同類指定功能的能力。進行冗余設置有助于系統(tǒng)可靠性的提高,但系統(tǒng)卻同時會變得更加的復雜性,重量與體積也會更大。有一種觀點是:當采取了相應的方法之后,如簡化設計、降額設計等,還是滿足不了系統(tǒng)的可靠性要求,再選擇冗余。另一種觀點是:當預算與進度都不是很寬裕的時候,可選擇較為成熟的冗余技術,這樣可以更好的提高系統(tǒng)的可靠性。
所以,要根據(jù)具體的場合來決定是否使用冗余。
并不是任何場合都適合采用冗余的,通常使用效果比較好的是在層次較低以及較為關鍵的環(huán)節(jié)。不能忽視的一點是,采用部分冗余技術需要加強對故障的檢測,以及增設其通道切換裝置,只有當其失效率比受控部分小的多的時候,冗余技術的優(yōu)勢才能得到體現(xiàn)。
冗余設計的主要任務:冗余等級、類型、配置方案以及管理方案的確定。
6. 電子元器件的電磁兼容設計
系統(tǒng)的電磁兼容性指的是系統(tǒng)中各電氣及電子系統(tǒng)、分系統(tǒng)、儀器設備以及元件等,在執(zhí)行任務過程中所遇到的所有電磁環(huán)境中,不降低性能、參數(shù)在允許的范圍內,還可以進行有效有序地工作的性能。
電磁干擾主要來自于功能干擾源、非功能干擾源以自然干擾源這三類。根據(jù)傳播途徑可將其分為傳導干擾源與輻射干擾源兩類;根據(jù)頻帶則可將其分為窄頻帶干擾與寬頻帶干擾兩類。
為了使系統(tǒng)具備電磁兼容性,那么在總體設計過程中就要使以下幾個問題得到良好的解決:頻率與頻譜、信號電平以及阻抗的選擇;恰當?shù)牟贾脙x器與電路。在設計電磁兼容中的許多環(huán)節(jié)需要采取相應的措施,如:接地、屏蔽、濾波、儀器電路與結構設計以及防靜電等。電磁兼容性的測試與驗證也是最后一個必不可少的環(huán)節(jié)。
7. 電子元器件的潛電路分析
我們所說的潛電路就是在一定的條件下,電路中產生并非我們所期望的通路。
它對系統(tǒng)的正常功能有抑制作用。對潛電路進行分析是為了找出影響正常功能的潛電路,以幫助我們對現(xiàn)有設計進行相應的改進。
如果要找出潛電路,首先要將存在于電路中的所有通路羅列出來。為了簡化這項工作,可將無關緊要的路徑略去,但連通電源與接地總線通路是不能略去的。由于這項工作量非常大,通常是需要用到計算機,因此,可基于這一點形成網(wǎng)絡樹。
該網(wǎng)絡樹必須將各電源放置在各個網(wǎng)絡樹的最上端,大地是底部,同時,根據(jù)電流由上往下的規(guī)則對電路進行排列。通過網(wǎng)絡樹可對存在的潛電路進行確定。
在分析潛電路過程中,環(huán)境變化通常被認為是沒有影響的,部分硬件故障所引起的潛電路也無需識別。此過程中的元件自身的可靠性并不重要,重要的是系統(tǒng)各個元件之間的關系與影響。而此過程中,采用系統(tǒng)級與功能級圖并沒有詳細的生產圖與安裝圖的效果好。