基于电子设备的可靠性设计技术分析

【摘要】文中基于电子设备的可靠性设计技术，主要分析了以下内容：电子设备可靠性预计、电子元器件的选择与控制、电子元器件的降额设计、电子元器件的热设计、电子元器件的冗余设计以及电子元器件的潜电路分析等方面的内容。

【关键词】电子设备；可靠性；降额设计；热设计；潜电路

1.引言

要使电子设备具有预期的可靠性，就必须使所有的相关人员了解可靠性知识，有意识地共同做好可靠性工作。本文基于这一方向，进行了电子设备的可靠性设计技术分析。

2.电子设备的可靠性设计技术

2.1 电子设备可靠性预计

电子元器件寿命服从指数分布是其设备的一个最大特点，也就是故障率是常数。因此，它的可靠性指标可以通过公式进行预测。构成电子设备的元器件都具备较高的标准化，包括：电阻、电容、二/三极管以及集成电路等，而目前已经积累了很多标准元器件方面的试验与统计数据，现有的预计标准与手册是比较成熟的。国家军用标准GJB/Z 299A-91《电子设备可靠性预计手册》适用于国产电子元器件的预计，而美国军标MIL-HDBK-217E《电子设备可靠性预计》则适用于进口电子元器件的预计。

2.2 电子元器件的选择与控制

要是系统的可靠性得到保障，元器件规格种类与保障费用减少，最有效的一个措施就是对电子元器件的选择与控制。

企业在选择与控制电子设备元器件时应根据可靠性要求采取相应的措施，通常需要注意的是：

（1）建立元器件采用的控制机制；

（2）针对元器件控制制定相应的方案，控制所有元器件的使用，编制元器件选择清单；

（3）在选用转承制方的元器件时要进行相应的控制；

（4）必要时进行相应的应力筛选。筛选方法参考本文第六节。

2.3 电子元器件的降额设计

降额设计的目的是使电子元器件的工作应力比所规定的额定值低，以使基本故障率降低，从而保证系统的可靠性。电应力与温度应力对其故障率的影响较为明显，所以，在电子产品的可靠性设计中，使用最多的一个方法就是降额设计。

所有的电子元器件都有最适宜的降额范围。这个时候，它的失效率由于工作应力的变化而受到的影响是最大的，也便于设计，同时，设备的重量与体积以及成本等都相对较小。

在电子元器件最适宜的降额范围内，其降额等级可分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级，降额等级中最大的是Ⅰ级降额，其次是Ⅱ级，最小的是Ⅲ级。如果所发生的故障会对整个系统的安全造成威胁并会导致严重的后果，则要采用Ⅰ级降额；而所需成本与可靠性增长效果最大就是Ⅲ级降额。

2.4 电子元器件的热设计

热设计的基本任务是：在满足性能要求的基础上使设备内部尽量少产生热量与热阻，选择恰当的冷却方式。

热设计的基本步骤：

（1）第一步要明确设备的损耗、发热量、设备规格与所处环境等多个设计条件；

（2）确定设备的冷却方式，并对满足原始条件与否进行检查；

（3）对相关构件进行热设计，如：元件、线路、印制电路板以及机箱；

（4）检查要遵照热设计检查表，对于是否满足设计要求进行确定。

2.5 电子元器件的冗余设计

冗余指的是系统中有一种以上的手段来执行同类指定功能的能力。进行冗余设置有助于系统可靠性的提高，但系统却同时会变得更加的复杂性，重量与体积也会更大。有一种观点是：当采取了相应的方法之后，如简化设计、降额设计等，还是满足不了系统的可靠性要求，再选择冗余。另一种观点是：当预算与进度都不是很宽裕的时候，可选择较为成熟的冗余技术，这样可以更好的提高系统的可靠性。所以，要根据具体的场合来决定是否使用冗余。

并不是任何场合都适合采用冗余的，通常使用效果比较好的是在层次较低以及较为关键的环节。不能忽视的一点是，采用部分冗余技术需要加强对故障的检测，以及增设其通道切换装置，只有当其失效率比受控部分小的多的时候，冗余技术的优势才能得到体现。

冗余设计的主要任务：冗余等级、类型、配置方案以及管理方案的确定。

2.6 电子元器件的电磁兼容设计

系统的电磁兼容性指的是系统中各电气及电子系统、分系统、仪器设备以及元件等，在执行任务过程中所遇到的所有电磁环境中，不降低性能、参数在允许的范围内，还可以进行有效有序地工作的性能。

电磁干扰主要来自于功能干扰源、非功能干扰源以自然干扰源这三类。根据传播途径可将其分为传导干扰源与辐射干扰源两类；根据频带则可将其分为窄频带干扰与宽频带干扰两类。

为了使系统具备电磁兼容性，那么在总体设计过程中就要使以下几个问题得到良好的解决：频率与频谱、信号电平以及阻抗的选择；恰当的布置仪器与电路。在设计电磁兼容中的许多环节需要采取相应的措施，如：接地、屏蔽、滤波、仪器电路与结构设计以及防静电等。电磁兼容性的测试与验证也是最后一个必不可少的环节。

2.7 电子元器件的潜电路分析

我们所说的潜电路就是在一定的条件下，电路中产生并非我们所期望的通路。它对系统的正常功能有抑制作用。对潜电路进行分析是为了找出影响正常功能的潜电路，以帮助我们对现有设计进行相应的改进。

如果要找出潜电路，首先要将存在于电路中的所有通路罗列出来。为了简化这项工作，可将无关紧要的路径略去，但连通电源与接地总线通路是不能略去的。由于这项工作量非常大，通常是需要用到计算机，因此，可基于这一点形成网络树。该网络树必须将各电源放置在各个网络树的最上端，大地是底部，同时，根据电流由上往下的规则对电路进行排列。通过网络树可对存在的潜电路进行确定。

在分析潜电路过程中，环境变化通常被认为是没有影响的，部分硬件故障所引起的潜电路也无需识别。此过程中的元件自身的可靠性并不重要，重要的是系统各个元件之间的关系与影响。而此过程中，采用系统级与功能级图并没有详细的生产图与安装图的效果好。

3.小结

在可靠性设计中，首要问题是精选元器件，使之满足长期稳定运行精度的要求。元器件的可靠性包括元器件的失效特性、失效机理，抗干扰性能，文中的分析显然对该领域有借鉴价值。

参考文献

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