第四章 可靠性设计(1,2,3_4_5节).ppt

第四章可靠性设计,第一节概述第二节元器件的选择与降额设计第三节电路的简化设计第四节容差与漂移设计第五节电磁兼容性设计第六节热设计第五章概率设计工程方法概率设计工程方法的应用结构可靠性分析的工程方法,第一节概述,1、可靠性必要性：产品质量要求有四点：技术性能，可用性，安全性，成本；技术性能：完成某项功能的能力：冰箱温度，水下机器人的承压等；可用性产品的可靠性和维修性；可靠性部件的选择，结构的设计方法，制造方法等,第一节概述,产品故障原因分析,产品故障70是同设计有关,费用考虑：返修率增加，经济损失增加安全性:不以人为代价；,成本：投入产品的费用（下图）,1,2,3,4,预定拨款总额,总费用,附加的返工费,资金节约很大产品质量很高,草图设计阶段考虑可靠性,设计阶段考虑可靠性技术,交付生产阶段产品质量控制,无可靠性产品出厂,生产过程查出的废品,不同阶段费用,2、可靠性设计的基本内容,（1）建立可靠性模型（2）进行各种可靠性分析诸如故障模式影响及危害度分析、故障树分析、热分析、容差分析等，以发现和确定薄弱环节，在发现了隐患后通过改进设计，从而消除隐患和薄弱环节。（3）采取各种有效的可靠性设计方法如制定和贯彻可靠性设计准则、降额设计、冗余设计、简化设计、热设计、耐环境设计等，并把这些可靠性设计方法和产品的性能设计工作结合起来，减少产品故障的发生，最终实现可靠性的要求,降额设计（降低元件各种内外应力）简化电路（程序）容差设计（允许漂移）电磁兼容性设计（提高抗电磁干扰能力）热设计（温度或温升有效控制）一般工程材料部件概率工程设计：考虑随机因素影响,电子产品的可靠性设计内容,3、设计准则（1）新技术应用准则（2）简化设计准则,3、设计准则,（3）热设计准则（4）电子元器件的选择准则（5）降额设计准则（6）电磁兼容性设计准则（7）容差设计准则（8）性能稳定性设计准则,第二节元器件的选择与降额设计,元器件等级分类从质量等级分为特军品、普军品和民用品；各级中有不同要求；考虑一种平衡和适应局部高、整体低；费用高，效率低；,一、元器件的选择,高失效率的元件少用：（试制品，触点多出现磨损、氧化、以振动等）（冰箱怪事）考虑费用、工艺成熟、触点少，少用真空器件、继电器和开关等损耗性元件。,元器件两大原则：,电阻器件根据阻值范围、温度系数、噪声、高频高速响应、功率和稳定性要求来选择。,一般元器件选用准则：,电容：应根据耐压、介质损耗、频率、容量变化和温度系数选择,微电子器件：根据功耗、速度、时延和负载加以选择半导体分立器件：根据频率、功率、耐压和噪声选择；,例如具体工厂压力机系统,二、降额设计,（1）降额依据,原因元件在额定条件下工作，环境、工作应力的变化造成元件的故障。实质缓慢物理化学变化，使得元件特性退化、功能丧失。这种变化的快慢，与温度和施加在元器件上的应力大小直接相关。要点在设计时有意识地降低元器件在工作时所承受的热、电、机械等各种应力，以达到改善元器件可靠性目的。范围：电子、电控系统和机械零件、机械结构等。包括：环境应力和工作应力,元件承受的环境应力：客观存在温度、湿度、压力、辐射、振动、腐蚀等，这些随条件而变化。温度对寿命影响较大工作应力：元件工作时，出现电流、电压、频率、热量、机械负荷等（1）温度对寿命影响寿命（L)和工作温度(T)关系遵守阿伦尼斯方程,二、降额设计数,（2）温度变化后，寿命变化多少？在试验室（已知）的参数为基准温度和寿命分别是温度T，对应寿命为L,称加速系数，表示工作温度比基准温度提高多少，寿命相应缩短多少。,经计算：寿命元件温度增加10度，寿命就缩短1/2称10度法则,（3）除温度外其它应力s对寿命影响,（4）同时考虑温度和其它应力，则元件寿命设计表达式,表示了工作状态下，应力加速系数,设计方法：如果使工作状态S下的实际功耗（电压）低于元器件的额定功耗（额定电压），则,DF称为降额系数,如果DF0.25，表示降低了75。,二、降额设计,（5）元件降额方法选择电阻降低功率；电容降低工作电压；半导体降低工作功率，数字电路降低周围环境和电负荷。（6）电子元件降额设计方案降额系数有电流、电压和功率降额系数。降额幅度越大，寿命越长。但重量、体积和成本增加。有时反而不利影响，因而存在一个优化问题,二、降额设计,元件降额要求,第三节电路的简化设计,一、简化设计的条件起因：电路可靠性同电路的复杂程度有关，电路越复杂、电路失效概率大，可靠性降低。目的：减少元器件的数量。原则：在保证原有规定条件下，完成电路性能前提下简化。二、途径（3种）1、模拟电路简化：包括采用成熟电路和简单电路2、数字逻辑电路的简化利用布尔代数方法简化逻辑电路；3、采用集成电路减少元器件的数量、连线、焊接点，显著减少电路的失效率。,第四节容差与漂移设计,现象：产品在长时间工作，受自身和外界条件的影响，元件出现疲劳现象其结果，元器件完成功能的能力出现偏差。参数漂移超出范围，漂移性失效。主要原因（1）元件本身有一定公差；1000（）5；（2）环境条件变化（温度、振动、材质变异等），参数出现漂移。应对措施：选择质量较好元件，元器件设计采用可靠性技术容差设计,漂移定义：产品在工作中，它的特性参数会出现偏差（漂移），当参数漂移超出允许范围时()，就不能完成规定的功能，这时的失效称漂移失效。设计思想：采取适应参数漂移的措施，允许元器件的参数在一定范围内变化，而能保证元器件性能达到规定的要求方法有：均方根偏差设计法；最坏情况设计法；蒙特卡洛法,第四节容差与漂移设计,第四节容差与漂移设计,一、均方根偏差设计法思想要点系统性能取决于元器件（部件）的参数变化，这些参数是随机变量X，那整机性能参数Y也是随机变量。,输出功率,一、均方根偏差设计法,分别表示随机变量Xi的均值和方差,则Y的均值和方差,设计理论推导：设有n个随机变量X的函数Y,整机性能(输出）参数(W)均值和标准差可以由多维随机变量(I,R,V)函数的误差传播法则表示出来。即,一、均方根偏差设计法,标准偏差不知时，采用元器件的极限偏差（公差），则方差变为,设计方法根据系统图，写出（特性方程）物理关系方程；,一、均方根偏差设计法,输出功率,求偏差,根据公式计算系统性能指标的漂移范围；,特性方程,分布参数,漂移范围,yes,NO,完成,重要是特性方程！,举例：电路和力学,考虑时间t的影响，均值和标准差发生变化设计方法如下,特性方程,漂移范围,完成,yes,考虑容差和漂移,NO,放大器电路图,二、最坏情况设计,思想要点：按元器件性能参数可能出现的极限来设计电路。最坏条件求出参数变化在允许范围，则确保万无一失。缺点：对元器件要求提高，增加费用。设计方法：将性能参数的最大（或最小）值带入特性方程，求出整机性能参数的极限范围；,注意某参数的最大最小如何判断,具体步骤,特性方程,误差分布参数,容差漂移范围,完成,极性判断,yes,NO,用最坏设计法计算放大器电路图电路输出漂移范围,二、最坏情况设计,三、蒙特卡洛法,随机抽取一组随机数,特性方程,成功，计数,给定的范围值，如电压4V,第五节电磁兼容性设计,两种途径1、电子设备内部电和磁互相兼顾和相容；2、电子设备同环境电和磁互相兼顾和相容。设计结果：是采取一些措施，提高元件设备在电磁环境中的适应性一、电磁干扰模型（表现的几种形式）电磁干扰的来源：外部环境：雷电、宇宙、太阳黑子、无线电通信设备（卫星、雷达、导航等）；高压强电设备；电力机械等武汉空难事故：2000.6.22-死亡49人原因：雷电、大雨,第五节电磁兼容性设计,内部环境：电源、电容、电阻、继电器等1、静电感应耦合：产生的静电感应电压Es,一、电磁干扰模型,K的大小同信号传输线的安排方式有关不胶合K=1;胶合K=0.1胶合有接地屏蔽K=0.01,2、电磁感应耦合,原因：交变磁场产生交变电势（电机、变压器等）对信号线产生感应电势,2、电磁感应耦合,K的大小同信号传输线的安排方式有关不胶合K=1;胶合K=0.1胶合有接地屏蔽K=？,3、共阻抗耦合,原因：两个电路具有共同阻抗，使得电路的电流在另一个电路上产生干扰电压感应电压,机理：电势的不均、电子之间的磨擦，能量的消耗,二、屏蔽设计,设计思想：采取措施消除或减小电磁干扰即需要屏蔽设计屏蔽设计途径：一是保护、密封信号体；二是内部线路接地设计,(电缆扎断失爆）,二、屏蔽设计,屏蔽类型1、静电屏蔽：手段：用导电良好的材料将信号源包裹；,信号源,目的：消除寄生电容的耦合（静电感应）,良好的导电材料,二、屏蔽设计,影响静电屏蔽效果的因素（设计的出发点