电子系统可靠性设计PPT演示课件

电子系统可靠性设计,程真英2011.9,1,电子系统可靠性设计,元器件的选用与控制(GJB546-88，电子元器件可靠性保证大纲)电子系统可靠性设计原则降额设计(GJB/Z35-93，元器件降额准则)冗余设计最坏情况设计电路漂移设计元器件误差统计分析电磁兼容性设计热设计(GJBZ27-92，电子设备可靠性热设计手册）,2,电子元器件的选择与使用,为什么要控制选择与正确使用电子元器件电子元器件的失效规律我国电子元器件的标准概况元器件的选择控制元器件的正确使用,返回,3,为什么要控制电子元器件的选择与正确使用,电子元器件是电子、电气系统的基础产品，是能够完成预定功能而不能再分割的电路基本单元，其自身的可靠性是十分重要的；设计人员注重元器件的功能与性能，不关心其“质量等级”、“失效率等级”；元器件的采购缺乏产品可靠性概念，渠道不畅、不稳；元器件的使用：近一半的元器件失效并非由于元器件本身的固有可靠性不高，而是由于使用者对元器件选择不当或使用有误。航天部半导体器件失效分析中心的统计数字：,4,电子元器件的失效规律,电子元器件的失效原因制造质量问题可靠性问题耗损问题设计问题,5,电子元器件的失效规律,电子元器件的典型失效率曲线,返回,6,电子元器件的质量等级,质量等级：是指元器件装机使用之前，在制造、试验及筛选过程中其质量的控制等级。它对元器件的失效率有很大的影响。目前，预计国外、国内元器件失效率时，用质量系数Q作为不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数。,国外电子元器件的质量等级,7,半导体集成电路质量系数等级,返回,国内元器件的质量等级,电子元器件的质量等级,8,元器件的选择与控制,目的保证元器件的性能、质量等应满足产品要求；保证畅通的采购渠道、稳定的货源；减少品种；降低采购费用；正确的使用。选择控制的总原则元器件的技术性能、质量等级、使用条件等应满足产品要求；优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠道可靠的标准元器件；在产品设计时，应最大限度地压缩元器件的品种、规格及其生产厂点；要严格控制新研元器件的使用。,9,元器件的选择与控制,国产电子元器件的优选顺序按国家标准（GB）、国家军用标准（GJB）、“七专”技术条件（QZJ）、电子工业部标准（SJ）执行“七专”产品推荐品种保留品种适用品种国外电子元器件的优选国外已形成了一系列的军用标准和规范国外元器件质量等级、命名标志及选购指南问题忽视检测概念模糊，选择不当：“军用温度范围”当“军品”要求不明，采购不当，渠道混乱，受骗上当,返回,10,元器件的正确使用,使用中存在的问题对元器件的性能掌握不够。测试不当或测量仪器接地不当而烧毁电路。调机不当，造成损伤静电损伤值得注意措施降额使用热设计抗辐射设计防静电设计操作过程中的问题储存与保管的问题,11,元器件的正确使用,抗辐射设计航天器中使用的元器件：外空间的各种辐射核爆炸环境：高能中子和射线防静电设计制造过程(人的静电防护)储存运输过程操作过程中的问题安装的机械损伤储存与保管的问题存储环境,返回,12,电子系统可靠性设计基本原则,产品结构和电路应尽量简便。尽量选用成熟的结构和典型的电路。结构要简单化、模块化、插件化。如采用新电路，应注意标准化。采用新技术要充分注意继承性。尽量采用数字电路。尽量采用集成电路。逻辑电路要进行简化设计。对性能指标、可靠性指标要综合考虑。应尽量采用传统工艺和习惯的操作方法。应不断采用新的可靠性设计技术。,13,降额设计,降额：使元器件在低于其额定值的应力条件下工作。,14,降额设计,降额设计概念与目的降额设计就是使元器件或设备工作时承受的工作应力适当降低于元器件或设备的额定值；降低基本故障率、提高使用可靠性的目的；降额主要因素：电应力和温度降额设计的关键：降额的程度与效果；降额等级级降额：最大适用于故障危及安全、导致任务失败和造成重大经济损失的情况；级降额：适用于故障使任务降级和增加不合理的维修费用；级降额：适用于故障对任务完成影响很小和少量的维修。,15,降额准则说明,16,降额设计原则,降额设计原则各类元器件均有一个最佳的降额范围，在此范围内应力变化对其故障率影响较大。过度的降额也不可取，增加元器件的数量；降额到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；过度降额反而有害：大功率晶体管在小电流下，大大降低放大系数而且参数稳定性降低；继电器的线包电流不仅不能降低，反而应在额定值之上，否则影响可靠的接触；电应力降额容易，对温度降额，主要依靠热设计；降额提高可靠性，但要综合考虑可靠性、体积、重量和费用等问题；根据设计、可靠性等的需要进行，一般参照GJB/Z-35元器件降额准则。,返回,17,冗余设计,冗余设计：用一台或多台相同单元（系统）并行工作，当其中一台发生故障时，其它单元仍能使系统正常工作的设计技术。如：并联系统储备系统等,返回,18,简化电路设计,例6-1设有一数字逻辑电路，将其尽可能简化成相同功能的数字逻辑电路。,原数字逻辑电路,19,简化电路设计,简化的数字逻辑电路,20,最坏情况设计,例6-2某反相器电路见图6-7，该图中电阻有10%的极限误差，三极管的参数hfe变化为2070，EC=5V，Vbes=0.8V，Vces=0.3V均不变。试问如何选择驱动信号VS才能使电路可靠工作？,21,最坏情况设计,解：由于,故有,上式中N为保证可靠地驱动该电路的系数，一般情况取N2，另外实际电路的驱动电流,22,为了可靠地驱动该电路，必须在任何情况下都要求IIb。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：,最坏情况设计,返回,23,电路漂移设计,24,电路漂移设计,25,电路漂移设计,26,电路漂移设计,27,电路漂移设计,28,电路漂移设计,返回,29,元器件误差统计分析,30,元器件误差统计分析,31,元器件误差统计分析,返回,用百分比表示的极限误差为：,32,电磁兼容性设计,什么是电磁兼容性问题？电子电路、设备、系统在工作时由于相互干扰或受到外界的干扰使其达不到预期的技术指标；设备虽然没有直接受到干扰的影响，但不能通过国家的电磁兼容标准，如计算机设备产生超过电磁发射标准规定的极限值，或在电磁敏感度、静电敏感度上达不到要求。,33,印制电路板设计各级电路连接应尽量缩短,尽可能减少寄生耦合,高频电路尤其要注意；高频线路应尽量避免平行排列导线以减少寄生耦合,更不能象低频电路那样连线扎成一束；设计各级电路应尽量按原理图顺序排列布置,避免各级电路交叉排列；每级电路的元器件应尽量靠近各级电路的晶体管和电子管,不应分布得太远,应尽量使各级电路自成回路；各级均应采用一点接地或就近接地,以防止地电流回路造成干扰,应将大电流地线和沁电流回路的地线分开设置,以防止大电流流进公共地线产生较强的耦合干扰；对于会产生较强电磁场的元件和对电磁场感应较灵敏的元件,应垂直布置、远离或加以屏蔽以防止和减小互感耦合；处于强磁场中的地线不应构成闭合回路,以避免出现地环路电流而产生干扰；电源供电线应靠近（电源的）地线并平行排列以增加电源滤波效果屏蔽机箱电源线滤波信号线滤波接地电缆设计等,电磁兼容性设计,返回,34,热设计,原因与目的电子产品可靠性对温度是非常敏感，但温度升高时，器件故障率迅速增大；如电路板变形合理温度布局，控制温度，提高可靠性,35,对电子设备进行热设计的要求通过热设计在满足性能要求下尽可能减少仪器内部产生的热量；通过热设计设法减少热阻；通过热设计能保证设备和元器件能在较低的温度条件下工作，以便做到减少参数漂移保持电性能的稳定，从而提高可靠性。,热设计,36,对电子设备进行热设计的基本方法提高元件、材料的允许工作温度减少设备的发热量用冷却的方法改变环境温度并加快散热速度,热设计,37,散热传导散热方法对流散热方式利用热辐射特性方式加装散热器制冷自然冷却强迫空气冷却冷板式冷却,热设计,38,热设计,39,热设计,40,参数优化设计三次设计,第一次设计系统设计第二次设计参数（优化）设计采用优化设计方法，得到优良的参数组合，使产品具有较好的性能。第三次设计容许差设计根据可靠性、精度、成本等方面的要求，确定各参数的允许变化范围。,41,质量损失函数,概念反映产品质量、性能指标等变化与经济性之间的关系由日本学者田口玄一研究质量经济性时提出的质量损失函数L(y)：若产品设计、出厂时未达到预定的指标值m，就会使使用成本Q增加，实际指标y带来的使用成本Q（y）与达到预定指标m带来的使用成本Q（m）之差L(y)=Q（y）-Q（m）=,42,质量损失函数,功能界限指产品性能指标偏离其中心值直到使产品功能完全丧失的范围容许差产品出厂公差的1/2，是产品合格与否的判据:m-ym+,43,D-当产品的性能指标为功能界限时的质量损失D=L(m)A-使产品的性能指标达到标称中心值m时的质量损