第六章电子系统可靠性设计01

第六章电子系统可靠性设计01第一页，共62页。第六章

电子系统的可靠性设计（1）第一节元器件的选用与控制

----------------------------------（5）三、电子元件的减额使用（降额使用）----------（12）第二节电路与系统的可靠性设计------------------------------（24）一、电路与系统可靠性设计的基本原则------------（24）3.元器件误差统计分析-------------------------(51)1.最坏情况分析

-------------------------------（33）2.电路漂移分析-------------------------------（40）二、元器件的失效率函数曲线和产品失效规律---（7）二、电路边缘性能设计----------------------------------（30）一、元器件的失效--------------------------------------（5）四、我国电子元器件标准概况-----------------------（22）第二页，共62页。从上述可知,系统的可靠性和其组成单元的可靠性有相当密切的关系。对于单元的可靠性，有的可以使用有关预计手册查出“组阁”元器件的失效率来进行可靠性保证。下面我们将讲它们的可靠性设计：第七章讲机械结构的可靠性设计。第六章讲电子系统的可靠性设计，

当前最多的产品是机电一体化的产品，其中最重要的“组阁成员”是电子系统和机械结构。但是工程中有的产品的“组阁成员”的可靠性指标一概不知（情况不明），如何办？则应在这些“组阁成员”设计中保证。第三页，共62页。元器件的选用与控制；电路系统的可靠性设计；电子设备的热设计、抗辐射设计、抗静电放电设计、电磁兼容性设计、潜电路分析和三次设计等内容。书中介绍了前三部分和最后一部分内容。这四方面内容，我们重点讲前两部分。第六章

电子系统的可靠性设计

第一节元器件的选用与控制

元器件失效对于不同的产品在不同的生产阶段出现失效，代来的损失是极不同的。电子系统的可靠性设计主要包括：第四页，共62页。因此，首先应了解组成系统元器件的失效规律。

若不合格的元器件装入系统，不但可靠性不能满足要求，而且要付出极大的代价来维修，如表6-1所示。

例如，一个由10万个件元器件组成的串联系统，若要求其可靠性为则所用每个元器件的可靠性为3007515航天设备1000120507军用产品21545254工业用产品50552消费者产品现场使用时系统实验时装在印刷版电路上元器件购进时失效阶段设备类型表6-1元器件失效造成的损失美元由表6-1可见：如航天设备使用时失效损失是购进失效的13万多倍。第五页，共62页。一、电子元器件的失效电子元器件的失效有以下4方面的问题：1.制造质量问题元器件的制造质量①元器件本身质量问题②装配质量问题元器件的制造质量问题造成的失效与工作应力和工作时间无关。不合格的元器件必须通过严格的检验予以排除，使设备投入使用后不至于出现这类失效。2.可靠性问题元器件可靠性问题的失效是一种随机性质的失效。元器件可靠性问题的失效率取决于应力水平，低于一定的应力水平，元器件不会失效，它与质量问题的失效不同。少数失效率不合标准的元器件可利用筛选的方法排除，防止失效率不合格的元器件进入系统。第六页，共62页。3.耗损问题耗损失效是指元器件工作到一定的时间后性能下降而失效，它的失效取决于其工作时间的长短。耗损性失效的元器件只能通过更换元器件予以排除。4.设计问题

设计问题产生的元器件失效，主要是由于选用的元器件不合适，或没有进行必要的降额使用。由此可见，这种失效可能与工作时间和工作应力有关。

解决的办法是要求设计人员正确地选用元器件并进行必要的降额使用。第七页，共62页。二、元器件的失效率函数曲线和产品失效规律。人们在很多产品的使用和试验中得到大量数据，发现失效率函数常呈现以下典型曲线形式（浴盆状）

，见图6-1。图6-1典型失效曲线第八页，共62页。

人们形象地将其称做浴盆曲线，根据失效率λ(t)的变化情况明显分为三阶段：

1.早期失效期—失效率很高，随时间迅速降低见图1-6（a)所示。

主要由设计、制造、原材料缺陷等原因造成的。在厂内进行筛选老练试验并剔除早期失效产品，使产品进入偶然失效期后再交付使用。失效原因：图1-6（a）早期失效型第九页，共62页。

2.偶然失效期—失效率很低而变化稳定（常数），这时失效随机地发生，失效原因是多种偶然因素，多数为工作应力引起的。见图1-16（b)所示。图1-6（b）偶然失效型此图纵坐标的高度（失效率）为平均无故障工作时间（MTBF）的倒数，横坐标的长度为耗损（老化）寿命或使用寿命。批量产品的工作寿命越长，偶然失效期越长，如半导体器件优质产品偶然失效期可达106小时以上，这是最良好的工作时期。第十页，共62页。3.耗损失效期—当产品使用到一定时，使用寿命期结束，耗损失效期开始。失效率随时间迅速上升。见图1-6（c)。失效原因：由于不同类型的耗损机理造成的性能退化或老化变质。产品在此阶段应更换。图1-6（c）耗损失效型电子元器件制造、可靠性和耗损方面的失效，从理论上说都可以贯穿于元器件的整个寿命期，只是每个时期失效性质不同：在早期失效期内以质量问题为主；在偶然失效期内以可靠性问题为主；在耗损失效期内以耗损问题为主。第十一页，共62页。图6-1典型失效曲线图6-1典型的寿命特性曲线适合于成批的元器件，同时也适合于可修理的产品和可修理的复杂系统。很多产品失效规律均有类似浴盆曲线(图6-1)，但不尽相同，例如机械设备的失效规律，如图1-6（d)所示。其三个失效阶段不明显。图1-6（d）机械设备失效曲线第十二页，共62页。三、电子元件的降额使用（减额使用）降额就是使元器件在低于其额定值的应力条件下工作。1.降额的基本概念元器件的降额（低于额定值）使用→↑可靠性和↓失效率。图6-2晶体管基本失效率与电应力温度的关系图由图可见，在55℃环境下：第十三页，共62页。由此可见，任何电子元器件在任何情况下（包括稳态和瞬态）原则上都不应超定额使用。因此，进行线路的应力分析对元器件降额使用是提高电子线路可靠性的一个重要手段。实践证明，大部分元器件的失效率与电应力和温度有关，因此，降额也主要是控制电应力和温度。降额的量值的类型与元器件种类有关。例如，电阻器是降低工作功率与额定功率之比；电容器是降低外加电压与额定电压之比；半导体器件是降低其功率与额定功率之比；继电器则控制其负载类型。第十四页，共62页。

①元件类型；②线路符号；③额定值；④制造厂家；对于所有新设计的或有更改的部件都应进行电子元件的应用评审。评审应包括一个详细而完整的电子元件表，该表应有以下内容：⑤最大电应力和热应力水平。应尽量应用计算机管理系统，建立数据库，定出减额水平，使所有元件的定额标准化。

（1）进行电子元器件的应用评审为了保证电子元件正确的降额使用，应做好以下两方面工作：

第十五页，共62页。（2）使用电子元件的降额准则

对各电子元件降额水平的选用，应依据有关技术标准文献。当前我国不少有关部门采用美军标准MIL—HDBK—338—2。如RCA广播卫星的电容器和微电路的降额使用航天标准QJ1417-88。对电容器、电阻器和热敏电阻、二极管、三极管、变压器和电感线圈、接插件、继电器、保险丝、微电路等电子元件进行降额使用。第十六页，共62页。2.降额技术在电子系统设计中如何降额？(1)降额图法ABC折线为降额开始的基准线。

①降额曲线一般元器件规范中都有温度、电应力平面上的降额曲线，如图6-3所示为半导体器件的典型降额曲线。图6-3半导体器件典型降额曲线器件降额工作区器件可满载工作区第十七页，共62页。②降额图实践中一般用降额图表示元器件可取的降额范围。如图6-4所示为某一典型的半导体器件降额图。图6-4半导体器件降额图降额曲线Q

有问题区域，谨慎使用A

合格使用区域，可靠性与费用之比最佳。R禁用区域第十八页，共62页。（2）降额因子法利用降额图法和严格的数学模型来确定降额值，有时还存在一定的困难，此时可采用降额因子法。降额因子法是根据元器件的主要应力确定其降额因子。见GJB/Z35—1993《元器件降额准则》。表6-2和表6-3供参考。11510085最高结温/℃0.900.900.80输出电流0.950.900.80频率见技术要求±5%±3%电源电压容限ⅢⅡⅠ降额等级降额参数表6-2双极型数字电路降额准则示例第十九页，共62页。1059580最高结温/℃0.800.750.70输出电流（最大绝对值）0.800.800.70输入输出电压差0.800.800.70输入电压（最大绝对值）0.800.800.70电源电压（最大绝对值）电压调整器11010085最高结温/℃0.900.900.80输出电流缓存器触发器0.900.800.80频率（电源电压最大值）0.800.800.70电源电压（最大绝对值）MOS、CMOS数字电路（中小规模}11510085最高结温/℃0.900.900.80输出电流（）最大值0.950.900.80频率（最大值）见技术条件±5%±3%电源电压容限（标称值）

双极性数字电路（中小规模）1059580最高结温/℃0.800.800.70输出电流（最大绝对值）0.700.700.60输入电压（最大绝对值）0.800.800.70电源电压（最大绝对值）线性电路双极性或MOS(中小规模)集成电路Ⅲ级Ⅱ级Ⅰ级降额等级降额参数元器件种类摘自表6-3元器件降额因子第二十页，共62页。∵降额过多将会增加设备体积、重量及成本。有的也不是在任何情况下都能降额使用。故需知道降额有限度和局限性。

(1)当可靠度R巳达到要求时，再用降额来↑可靠性R就多余了。同一系统中各种元器件的可靠性水平要协调，对其中某些元器件大幅度降额，使其可靠性远高于其他元器件，这种降额没有必要。如何选择元器件的降额度？表6-2和表6-3中可见降额等级为3级(I、II、III，)，I级降的最多，III级最少。3.降额的余度和局限性元器件的降额使用并非降额越多越好。第二十一页，共62页。(2)单纯用降额↑可靠性是有限的。如图6-2可见，无论是温度应力，还是电应力，降额到一定程度后，失效率变化就不明显了。(3)有些元器件过度降额反而有害。(4)电应力的降额比较容易做到，对温度应力的控制主要靠改善热设计。图6-2晶体管基本失效率与电应力温度的关系图如大功率晶体管在小电流下工作→↓↓放大系数、参数稳定性↓。(5)采用降额技术→↑可靠性要讲效益。即降额程度的取值需要综合考虑可靠性指标要求、重量、体积及成本的限制。第二十二页，共62页。四、我国电子元器件标准概况为了保证在电子系统设计时，合理地选用元器件，应了解我国生产的电子元器件标准。1.电子元器件失效率等级的划分我国元器件按失效率分为7个等级，如表6-4所示。Q七级S十级L六级J九级W五级B八级Y亚五级最大失效率/(1/h)符号名称最大失效率/(1/h)符号名称表6-4电子元器件失效率第二十三页，共62页。对于继电器的失效率单位为“1/10次”或“1/h”。继电器分三个级别：继电器的失效率是指在额定条件下的失效率即是基本失效率典型值。2.质量等级我国电子元器件质量等级分为三类：一类为特军品，二类为普军品，三类为民品。为了正确选用元器件，除了做应力分析外，还需了解元器件：①使用环境条件；②失效率模型所包含的因素；③现场失效率。返回1第二十四页，共62页。第二节电路与系统的可靠性设计一、电路与系统可靠性设计的基本原则1.尽可能采用优选电路的原则2.尽可能简化的原则(1)在保证原设计功能指标的情况下，尽可能简化电路设计。尽量多采用标准化的或经过考验可靠性R高的电路。少用新研制、未经定型和考验电路。美国、欧洲等国家和地区都出版发表过优选电路手册，供设计人员选用。即用有最简单的电路和最少量的元器件来达到设计技术指标的要求；第二十五页，共62页。(2)在设计中应注意加入提高电路稳定性、可靠性、可测试性和可维修性的措施，不应为简化而省略；(3)不能为了一点点性能的改善而增加大量元器件，方案论证应以可靠性为主要指标，而不能把性能指标定的过高；(4)减少元器件数量的同时，还应压缩其品种和规格，以便于控制质量、减少备件数量和便于维修。

品种数和元器件总数之比应尽量低，如美国SPY-1雷达该比值仅为0.25%；(5)在逻辑电路设计时，应尽可能用高可靠及集成度高的电路，而不用分立元件或小规模集成电路，因为这样可以减少器件的数目（块数）；第二十六页，共62页。(6)在可能情况下，尽量用数字电路代替模拟集成电路，否则应定量地进行可靠性预测，以详细地比较选择最优方案。这是由于模拟电路较之数字电路有失效率高和特性易随时间漂移等特点；(7)宁可降低电路性能也要选用那些元器件失效引起电路灾害性的后果较少的电路。

第二十七页，共62页。例6-1如有数字逻辑电路见图6-5所示，将其简化成功能相同的数字逻辑电路。下面以例6-1来说明电路筒化的原则。图6-5数字逻辑线路第二十八页，共62页。则大大提高了其可靠度。图6-6简化数字逻辑线路图6-5数字逻辑线路解：(1)使用布尔代数简化图6-5。列出电路输出（E）与输入（A、B、C、D）数学关系式为简化简化第二十九页，共62页。(2)证明（利用布尔代数简化）AB/C

BC/D

A/C/D

返回1第三十页，共62页。

电路的设计通常总是从要完成的功能指标出发，首先要达到所要求的增益、频率、频带、灵敏度、线性度等技术指标。边缘性能设计内容③元器件误差统计分析。②电路性能漂移分析

初步设计时先从理想的模型出发，并根据实际情况调整参数使之满足所要求的技术指标。二、电路边缘性能设计①最坏情况设计

随后则要考虑元件参数公差、漂移及参数随环境条件的变化等，以保证电路设计能允许这些变化。第三十一页，共62页。参数变化是不可避免的，其情况如下：

由于元件的制造公差所致，一般为正态分布，可用平均值（数学期望）和标准偏差来表示。

由于老化引起的参数随时间的变化。此时元件参数的平均值及标准偏差均随时间而改变。①参数公差②

参数漂移由于外界环境因素而引起的参数改变，它是随环境因素的规律而变化的，这个变化的准确值可从元件手册中找到。③参数随环境条件的变化第三十二页，共62页。

由于元件生产时质量控制不佳，不同批次元件之间参数常常有较大的差异，除了选用参数公差、标准偏差较小的批次的元件外，最好能把购到的元件进行抽样实测，取得平均值及标准偏差，以便设计时使用。

第三十三页，共62页。1.最坏情况分析

当仅知道参数变化的最大范围时，我们可以使用最坏情况这种分析方法。现举例说明如下：

电路边缘性能设计是很有必要的，即应进行以下的分析。

上面讲到的初步设计即传统的功能设计方法，随后进行的工作即电路边缘性能设计,为了保证电子线路的可靠性。

注：在最坏情况设计中，上方有横线的参数字母表示该参数的最大值，下方有横线者为该参数的最小值。

第三十四页，共62页。

例6-2图6-7为反相器电路中电阻有±10%的极限扁差，三极管的参数hfe（共发射极放大系数）的变化为20~70，EC=5V，Vbes=0.8V，Vces=0.3V均不变。图6-7反相器电路

试问如何选择驱动信号VS才能使电路可靠地工作？

上式中N为保证可靠地驱动该电路的系数，一般情况取N=2。

第三十五页，共62页。图6-7反相器电路另外实际电路的驱动电流：为了可靠地驱动该电路，必须任何情况下:最坏情况设计的目的是要求在最坏情况下，仍能够保证有足够的驱动电流，即第三十六页，共62页。由（1）可得：由（2）可得：第三十七页，共62页。将（4）、（5）分别带入（3）得：

可见，如果选Vs=7V则可保证该电路能可靠地工作。

第三十八页，共62页。例6-3现有一个电子管放大器，其放大率A为解：由上计算式可知，当温度为+125℃时，放大率A为最大值，即当温度为-50℃时，放大率A为最小值，即第三十九页，共62页。

在最坏情况分析中还应考虑寿命末期（EOL）元件电参数的预期变化，这种变化是用初始的最小值或最大值的百分数来表示的。

根据有关美军标准对于各种元器件都规定了寿命末期设计界限，大家在进行线路最坏情况分析时，请注意使用有关数据。返回1第四十页，共62页。

随着元器件随时间的老化，电路的性能指标也不断下降。当性能指标W下降到一定程度时，即当W<WL时，电路就失效，这个“WL”

值称之为失效阀值。2.电路漂移分析

一般地说，电路性能指标是正态分布的，它将整个地随时间而漂移。“”第四十一页，共62页。

电路的可靠性（即可靠度）为性能正态分布曲线在失效阀值以上部分的面积，见图6-8。

图6-8电路性能指标漂移图第四十二页，共62页。

为了简化分析，假定性能W的分布为（均匀分布）矩形，其高度为h，宽度为2△W,且性能随时间漂移为

(其中a,b为常数)，见图6-9。

图6-9电路性能指标漂移图第四十三页，共62页。

若把性能指标X按t=0时的性能指标X0归一化，即有性能：由概率论概念，可有：图6-9电路性能指标漂移图第四十四页，共62页。同时可得(均匀分布)：图6-9电路性能指标漂移图第四十五页，共62页。

由于W的分布为矩形，在矩形下缘碰到失效阈值WL以前电路不会失效(见图6-9)。所以电路的绝对无故障时间td可如下推导：

图6-9电路性能指标漂移图第四十六页，共62页。图6-9电路性能指标漂移图第四十七页，共62页。

当t>td时，性能正常的概率（即电路可靠性）Ps应为矩形在WL以上部分的面积：

性能W漂移刚至性能正常概率为0时,此时电路绝对失效，矩形上边与失效阈值WL重合的时间tT可如下推导。

图6-9电路性能指标漂移图第四十八页，共62页。图6-9电路性能指标漂移图第四十九页，共62页。图6-9电路性能指标漂移图第五十页，共62页。

以上是在假定性能分布为矩形，漂移函数为的情况下推导出来的结论，对于其它不同分布和漂移函数也可这样进行推导，此处不再介绍。图6-9电路性能指标漂移图返回1第五十一页，共62页。3.元器件误差统计分析设各元件参数X1,X2,…,Xn是随机变量，且在统计上互相独立，各自服从正态分布，标准偏差,与各自的均值m1,m2,…,mn相比很小,则电路的性能指标Y=f(x1,x2,…,xn)的均值my和方差计算式为元器件误差的性质分系统误差随机误差元器件的系统误差有正、负（+、-）之分。它可以通过适当地选择参数进行补偿。随机误差是不能补偿的。通过误差分析可以得到其对系统性能的影响大小。第五十二页，共62页。

例6-4某一电路有8个1KΩ电阻，其极限偏差分别是±1%，±2%，±3%，±4%，±5%，±6%，±7%，±8%，将它们串联起来，见图6-10，其性能参数服从正正态分布。试求该电路的总电阻是多少？并以百分比表示其极限偏差。图6-10电路图

解：由于各电阻性能均符合正态分布，故其标准偏差σ与其离散范围的关系见图6-11。图6-11电阻正态分图第五十三页，共62页。（1）由图6-11可得各电阻的标准偏差分别为图6-11电阻正态分图（2）由图6-10可得电路总电阻RS为

图6-10电路图第五十四页，共62页。（3）由式(6-2)可得总电阻的标准偏差为图6-11电阻正态分图

因为几个正态分布的随机变量之和仍为一个正态分布的随机变量，即随机变量RS为正态分布。根据图6-11，△Rs和的关系有

第五十五页，共62页。由式(6-1)总电阻的均值为(6)