第四章容错控制系统可靠性设计技术

第四章容错控制系统可靠性设计技术余度技术（Redundancy)(FaultTolerant)容错控制系统在航空中的应用容错控制系统在航天中的应用美国的航天飞机：主发动机和固体火箭助推器的推力矢量控制伺服机构采用了四余度机械反馈伺服作动器，空气动力控制面伺服机构采用了四余度电反馈伺服作动器苏联的能源号运载火箭：三余度欧洲的阿里安－5火箭：主备式双余度APPOLO登月计划“土星V”运载火箭的制导与控制系统：三余度多数表决故障吸收式内容余度技术及其设计任务监控技术故障诊断与故障决策容错技术定义容错技术典型容错飞行控制系统飞控系统余度与可靠性系统故障率单通道故障率三余度系统表决/监控面配置EEAEDEADEBECEBCEABCD(次/小时)余度技术监控表决面机载容错系统设计的特点余度设计技术(硬件、软件)故障监控技术容错控制技术系统重构与恢复技术余度定义

美军标MIL-F-9490D对余度(Redundancy)的定义:余度是需要出现两个或两个以上的独立故障，而不是一个单独故障，才能引起即定的不希望的工作状态的一种设计方法。余度可采用的方式:（1）采用两个或两个以上的部件、分系统或通道，每个都能执行给定的功能；（2）采用监控装置，它能检测故障，完成指示，自动切除或自动转换；（3）采用上述两种方式的组合。

余度的分类静态余度:表决系统、并联系统

优点：当故障出现时，系统不对故障进行诊断和隔离，故障被系统的结构所“掩盖”，因此组成较简单。

缺点：

（1）所有余度需要提供能源；（2）由于静态余度没有故障隔离，当余度模块中任一模块出现灾难性故障时，会影响到其余模块；（3）静态余度系统测试较困难。（4）在表决系统中的表决器对故障较敏感，而且它的故障将导致系统的故障。动态余度：冷、热贮备系统

优点：

（1）仅需提供一个模块能源。（2）故障模块被替换下来，可防止灾难性故障破坏整个系统工作。

缺点：

（1）切换装置及故障检测装置中的任一故障，均会造成系统故障。（2）在故障模块被替换前，通过故障模块传输的数据信息可能丢失。（3）瞬时故障可能造成好的模块失去作用。“土星五”(Saturn-Ⅴ)计算机

可靠性最高的余度型式：表决+冷贮备余度设计的任务确定容错能力确定余度配置确定余度管理方式容错能力FO/FS:单故障工作/双故障安全FO/FO/FS:双故障工作/三故障安全容错能力飞行控制系统重要性最低余度等级重要的故障—工作飞行阶级重要的故障—消极保护不重要的故障—安全余度配置FO/FS：至少3余度；FO/FO/FS：至少4余度最佳余度：3—5余度余度管理信号的选择(表决)和均衡；状态监控、故障检测和隔离；系统重构与资源恢复；跨通道数据传输；同步计算机的跨通道同步；输入输出信号的管理；作动器的管理；故障记录、处理和显示。余度管理方式监控表决面设计原则：满足系统可靠性指标要求；满足部件级(可更换故障单元级)故障一工作的容错能力的要求满足信号的一致性要求。满足控制律重构要求。

监控表决面设计2-3个监控表决面且分布在计算机附近，用软件实现监控技术比较监控模型比较监控自监控比较监控原理D故障常用：故障监控覆盖率>95%监控雪崩模型比较监控两余度：可以精确建模自监控计算机自测试“看门狗“监控器配置方案硬件时钟监控器方案存储数据奇偶校验传感器自监控监控覆盖率低仅为75%信号的传输与选择直接传输方式交叉增强方式输入输出方式直接传输方式生存通道少交叉增强传输方式生存通道多输入输出传输方式将繁重的余度管理计算任务交给I/O处理机来完成，这就大大减轻了中央处理机的计算负担。余度管理计算占总计算量的60%以上信号选择

多个信号输入，究竟选择什么信号输出，这是人为规定的。可以选最大值信号输出，也可选最小值信号输出；可以选次大值信号输出，也可选次小值信号输出；还可选平均值输出。问题是究竟选择那种信号输出最合理。常用的有：

（1）平均值选择器平均值信号选择器有一定实用价值，但当有一信号通道发生故障(特别是硬故障)而漏检时，信号选择器的输出会有很大误差。而且切换时会产生很大的瞬态干扰。

（2）中值选择器目前应用最多的称为中值选择器。输入为四信号时，选择输入信号绝对值中的次小值；输入为三信号时，选择中值；输入为二信号时，选择绝对值中的小值。

常用的定量评价指标（1）监控覆盖率给定一个故障，系统继续完成所需功能的条件概率。也即，故障出现时，故障被检测、隔离、系统重构后继续正常工作的条件概率，用X表示：漏检率：监控覆盖率的作用三余度系统：（2）虚警率在给出告警信号事件A的条件下，系统中无故障的条件概率称为虚警率或误切比：（3）故障阈值εε取的大，则监控覆盖率X小；ε取的小，则虚警率高。（4）切换时间--减少误切

取的大，则监控覆盖率X小；取的小，则虚警率高。故障切换与隔离软件切换：余度管理算法中把故障通道的信息置之不理硬件切换：液压源、气源、电源切换。容错技术定义：

容错技术(FaultTolerant)是指系统对故障的容忍技术，也就是指处于工作状态的系统中一个或多个关键部分发生故障或差错时，能自动检测与诊断，并能采取相应措施保证系统维持其规定功能或保持其功能在可接受的范围内的技术。容错设计内容硬件容错、软件容错、信息容错和时间容错硬件容错软件容错N文本技术恢复块技术软件特点：调用路径太多其中每个结点或圆圈代表一段可能以转移语句结束的顺序执行语句，每条弧代表两段程序间的控制转移。程序含有一个最少重复20次的循环语句.由于有5条贯穿循环体的路径，即c→d→e→f→h→m；c→d→e→f→i→m；c→d→e→g→j→m；c→d→e→g→k→m；c→d→l→m，那么从点A到点B的所有独立路径数为520+519+…+51，约为1014或1016亿。复杂性（1）故障机理

硬件产生故障的原因有四个方面：即设计问题、生产过程中的问题、超载及耗损。硬件故障主要是由于耗损（物理退化）所致的，而软件不存在物理退化现象。这就决定了软件正确性与软件可靠性密切相关，一个正确的软件任何时刻均可靠；然而一个正确的硬件元器件或系统则可能在某个时刻故障。软件没有耗损问题并不等于没有可靠性问题，因在开发过程中常有一些随机因素，不可避免地会在软件中留下缺陷，因而软件也有可靠性问题。所以硬件的故障机理是耗损，而软件的故障机理就是残留缺陷在一定环境下造成的软件错误。软件与硬件的不同（2）复杂性

软件内部逻辑高度复杂，而硬件内部逻辑较为简单，这就在很大程度上决定了设计错误是导致软件故障的主要原因，而导致硬件故障的可能性则很小。（3）唯一性软件是唯一的，软件拷贝不改变软件本身，而任何两个硬件不可能绝对相同。

软件可靠性的核心是“思考”问题，软件中不可能象硬件那样分解成元部件，它只有语句。语言本身造成的软件故障较少，且通过静态测试(目测或编译)可加修正。软件错误来源主要是软件设计者的思维错误及软件的复杂性，这是难以控制的。故软件可靠性的提高需从人的思维正确性和减少软件的复杂性两方面着手。这正如我们用汉语写文章，观点有错误不能归咎于语言本身不好，而应归咎于人的思想。（4）可靠性的核心由于软件内部逻辑复杂，运行环境动态变化，且不同的软件差异可能很大，因而软件故障机理可能有不同的表现形式。譬如有的故障过程比较简单，易于追踪分析，而有的故障过程可能非常复杂，难于甚至不可能加以详尽描述和分析，尤其是运行于高度复杂实时环境中的大型软件。但总的说来，软件故障机理可描述为：软件缺陷→软件错误→软件故障。软件故障（1）软件缺陷软件缺陷(Default)：软件开发中残留的内在缺陷称为软件缺陷。这些缺陷可以在软件生存期的各个阶段被引入。在软件开发的各阶段，软件始终离不开人的参与，而人难免会犯错误，这样就必然给软件留下不良的痕迹。例如一段程序进行某些数据处理，若在处理过程中就产生软件错误，则说明这段程序存在缺陷或缺少一个程序段。软件缺陷是一个静止的现象，只在一定的输入条件下才能被激活导致软件错误，而且软件错误也不一定导致软件故障，比如容错软件中的错误就可以被检测出来并可纠正或避免，而不导致故障。（2）软件错误软件错误(Error)：软件缺陷在一定条件下暴露并导致系统在运行中出现可感知的不正常、不正确、不按规范执行的内部状态，则认为软件出现“错误”，简称出错。所谓不正确的内部状态，是指在此状态下，当正常的算法继续下去时，就会发生软件故障。软件错误是由于软件缺陷造成的。一个错误可能是多个故障源。例如，在求最大值的程序中，设计人员由于疏忽将求得的平均值作为最大值，这就是一个软件错误。（3）软件故障软件故障(Failure)：在对错误不作任何纠正和恢复的情况下，导致系统的输出不满足用户提供的正式文件上指明的要求或双方协议的条款，称为软件的一次故障。软件故障是由于软存错误造成的一种外部表现，它是动态的、程序执行过程中出现的行为表现。（2）中的故障例子，由于没有容错措施，即没有限制和排除软件故障的措施，最终将得到不可接受的结果（平均值），产生软件故障。软件故障的特点影响软件可靠性的因素运行环境(剖面)。同一软件在不同运行剖面下，其可靠性行为可能极不相同。由于软件故障是软件缺陷在一定输入情况下被激活的结果，假设软件输入域划分为两个部分：G和F：运行剖面不包含F中的输入，则软件不会出现故障，其可靠性恒为l。反之，如果运行剖面不包含G中的输入，则每一输入情况下均出现故障，如果没有容错措施则R=0。软件规模。随着软件规模的增大，软件可靠性问题愈显突出。在我们考虑软件可靠性问题时，软件一般是指中型以上软件(4000-5000条以上语句)，这时可靠性问题难以对付。软件工程实践的一个侧面可以反映这一点，即单元测试一般由编程人员本人进行，而综合测试则需独立的测试人员。软件可靠性增长模型也主要应用于综合测试阶段。软件内部结构。软件内部结构一般比较复杂，且动态变化，对可靠性的影响也不甚清楚。但总的说来，结构越复杂，软件复杂度越高，内含缺陷数越大，因而软件可靠度越低。软件可靠性设计技术。关于软件可靠性设计技术的外延并不明确，但一般是指软件设计阶段中采用的用以保证和提高软件可靠性为主要目标的软件技术。软件可靠性测试。研究表明，软件测试方法与资源投入对软件可靠性有不可忽视的影响。软件可靠性管理。软件可靠性管理旨在系统管理软件生存期各阶段的可靠性活动，使之系统化、规范化、一体化，这样就可以避免许多人为错误，以提高软件可靠性。软件开发人员能力和经验。显然，软件开发人员(包括测试人员)的能力愈强，经验愈丰富，所犯错误便可能愈少，所得软件产品质量愈高，相应的可靠性也愈高。软件开发方法。软件工程表明，开发方法对软件可靠性有显著影响。与非结构化方法比较，结构化方法可以明显减少软件缺陷数。软件开发环境。研究表明，程序语言对软件可靠性有影响。譬如，结构化语言Ada优于Fortran语言，而软件测试工具优劣则影响测试效果。软件可靠性定义软件可靠性定义为：假定输入和硬件都没有错误，对于一组输入数据，软件能正常运行不发生错误的概率。这是一种面向数据的定义方法。建议推荐软件可靠性技术软件避错技术软件容错技术软件测试技术软件预计技术软件避错技术软件设计技术（1）

自顶向下设计(TDD—Top-DownDesign)是把系统功能最抽象描述作为最高层次，并从它出发，把系统分成分级的分系统，称为层(Levels)。（2）数据结构设计法。主要注意力集中在信息结构和信息流动上，而不是过于集中在所要完成的功能上。如定义数据结构、标识数据流、定义能使数据流动的操作等。为了防止数据冲突，须引进中间文件，来实现输入数据与输出数据的结构转换处理。（3）高级软件(HOS—HigherOrderSoftware)方法论。这是一种详细说明和开发可靠软件系统的方法论，是完全面向系统而不是面向传统软件的。高级软件的基本出发点是把一个给定的系统看成一个“软件”，并可用数学模型(即函数)来描述。1974年NASA将高级软件首次在宇宙飞船模型软件开发中应用，现已用于开发宇宙飞船的飞行软件中。软件实现技术（1）自顶向下(Top-DownProgramming，TDP)和由底向上程序设计(Bottom—UpProgramming，BUP)方法。（2）模块程序设计(MP—ModularProgramming)的思想是把整个软件系统分解成为一系列独立的代码段来实现软件的。每段就叫一个模块，它常常是一个小型的、面向功能性的子程序或函数，每个模块用来表示与某个功能有关的一个或多个任务，模块之间的数据通信靠接口来完成。模块之间有一定的独立性，可由不同的程序员编程来加快实现的进程。（3）逐步求精程序设计(SWRP—StepWiseRefinementProgramming)的基本思想是：对于一个复杂的问题，先解决容易部分(给出较粗的框图)，接着对剩下的问题再作更细的分解，如此反复，直到所有问题都解决为止。（4）结构化程序设计(SP—StructureProgramming)概念是强调从程序结构和风格上来研究程序设计。结构化程序设计严格说不是一种程序设计的方法，而是编程的一个标准或风格。软件避错技术的应用在“美洲豹”(Jaguar)飞机的数字式电传飞行控制系统的飞控软件中软件容错技术N文本技术N文本特点独立设计；尽量采用不同的算法和数据结构；不同的语言；不同的程序员来编写。每个文本程序中设置一个或多个交叉检测点，每当文本执行到一个交叉检测点时便产生一个比较向量，并将比较向量交给表决程序，自己则进入等待状态，等待来自表决驱动的指令。比较向量比较向量，用于比较的目的。比较状态标志，用来指示在产生比较向量的过程中是否发生了特殊事件，譬如监测到例外条件，遇到文本结尾等。表决程序激活各文本使之投入运行；接受来自各文本的比较向量；实现各文本同步；比较各文本的比较向量；处理比较结果。恢复块技术信息容错检错码纠错码时间容错指令复执指令的重复执行是当系统检出了故障后，让当前的指令重复执行若干次。如果故障是瞬时性的，在指令复执期间，有可能不再出现，这样原来的程序又可以继续进行了。这就等于延长了无故障运行时间。如果指令复执解除不了故障，程序员往往可以根据出错信号是在什么指令上发生的来判断故障之所在，或调用一些诊断程序来帮助找出故障的位置。

程序卷回

程序卷回不是某一条指令的重复执行，而是一小段程序的重复执行。为了实现卷回，必须保留现场，此时现场的范围比指令复执要更广一些，它包括前一小段程序所涉及到的现场。在这种情况下，保护现场的方法有：（1）将程序分成一些小段，卷回时也就卷回一小段，而不是卷回到程序的起点。（2）在第n段之末，将当时各寄存器、指令计数器及其它计数器的内容移入内存，并将内存中被第n段所更改的单元(如中间结果、计数单元内容等)亦在内存中另行保存起来。如果在第n+l段中不出问题，则将第n+l段的现场存档，并注销第n段的档案。（3）如果在第n+l段中出了故障，就把第n段的档案回送到机器的各有关部分，然后从第n+l段的起点开始重复执行第n+1段程序，这就是程序卷回的主要内容。如果卷回一次不解决问题，可能要卷回若干次，直到故障消除，或者到判定不能消除故障为止。容错飞行控制系统的组成余度计算机系统传感器余度舵机余度计算机系统容错计算机功能图四余度容错计算机控制器1、采用主处理器CPU和输入输出处理器IOP双处理器并行工作的余度方式，解决自主式IOP的技术问题；

2、设计IOP软件串行口实现跨通道数据传输（CCDL）。

3、采用三次故障/工作的时钟系统。

常用的硬件和软件中央处理芯片:Intelx86,M68k,PowerPC6xx,R30xx,I960等DISC和RISC中央处理单元语言:汇编,C,Ada等非相似余度定义:

非相似余度技术(DissimilarRedundancy)是采用完全不同的硬件和软件来组成余度通道系统，产生和监控飞行控制信号。这样做的目的是为了达到高可靠性。举例－A320两台副翼/升降舵计算机（Elac）和三台扰流板／复原升降舵计算机(Sec)。五台计算机中的任一台均可控制A320飞行，故障率计算机MTTF为4000—5000小时。Elac

和Sec计算机是相互独立的，相互之间不传输信号。它们的硬件不同：Elac是Motorle公司的68000微机，而Sec是Intel公司的80000S微机。每台计算机分成两通道，一个通道保证指令送到飞行面，另一个通道监控其结果。通道间传输通过数据总线，当结果与其它的计算机不一致时，该计算机被关掉。每个通道采用不同的软件结构，控制指令采用高级语言(Pascal)编制，而监控通道用低级语言（Assembly）汇编语言编制。每个通道的软件开发均独立进行。飞行控制计算机典型功能模块余度传感器余度舵机力纷争余度舵机系统是一个多输入多输出且变量问严重关联的非线性系统。由于通道间的不对称，包括伺服阀及其他部件的差异，安装质量及安装条件的不同，干扰及信号失配等。这就导致了严重的耦合，表现为输出综合杆上的力纷争。余度舵机采用力综合式结构必定要引起力纷争，这是其结构形式决定的。力纷争的存在给电液伺服系统的性能带来很坏的影响，严重时甚至会损坏系统结构。因此，采用余度舵机必须要重视力纷争。由于产生力纷争是因为通道间的交联干扰，在通道间存在差异或输入信号失配时都会引起力纷争。解决力纷争的方法有：解决力纷争的途径提高加工精度，减少通道间的差异，对输入信号进行选择；降低系统的刚度，如增加阻尼，采用柔性综合杆等；采用均衡技术，迫使各通道压力趋于一致；采用解耦控制，消除交联干扰。航天三余度伺服机构容错控制系统可靠性设计电子部件的可靠性设计机械部件的可靠性设计余度技术和容错技术设计电子部件的可靠性设计降额设计简化设计容差设计热设计电磁兼容设计元器件选择和老化筛选（1）降额设计

所谓降额设计，是为了提升电子设备的可靠性而常用的方法，主要是指构成电子设备的元器件使用中所承受的应力（电应力和温度应力）低于元器件本身的额定值，以达到延缓其参数退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。

降额设计的主要因素是电应力和温度应力降额设计的关键是降额的程度与效果。

根据产品的不同用途及其重要性，一般降额设计分为三个等级:I级降额I级降额是最大的降额，适用于产品故障将会危及安全，导致任务失败和造成严重经济损失情况时的降额设计，它是保证产品可靠性所必须的最大降额。若采用比它还大的降额，不但产品可靠性不再会增加多少，而且设计上也是难以接受的。II级降额II级降额是中等降额，适用于产品故障将会使工作任务降级和发生不合理的维修费用情况的降额设计，这级降额仍在降低工作应力可对产品可靠性增长有明显作用的范围内，它比I级降额易于实现。III级降额III级降额是最小的降额，适用于产品故障只对任务完成有小的影响和可经济的修复产品的情况，这级降额可靠性增长效果最大，设计上也不会有什么困难。降额设计相关理论降额设计参数的选取原则降额参数=工作应力/额定应力这里应力泛指：电应力(电压、电流和功率)和热应力降额设计相关理论降额设计相关理论降额设计参数的选取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。降额过小没有效果，过度降额反而有害电应力降额容易，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、重量和费用等问题不应将标准所推荐的降额量值绝对化，应该根据产品特殊性适当调整应注意到，有些元器件参数不能降额不能用降额补偿的方法解决低质量元器件的使用问题，低质量产品要慎重使用

主要电子元器件降额应力参数的选取如果在集成电路芯片导体断面上的电流密度很大，致使结温很高，会加速金属迁移过程及化学反应，最终导至器件失效，因而其降额应从降低结温方面考虑。诸如减少实用功率、瞬态电流。由于工作频率接近额定值时，功耗将迅速增加，所以工作频率应低于额定频率，同时，还应考虑实施有效的热传递。集成电路温度是影响晶体管可靠性的重要应力，因此晶体管的功耗和结温须降额，为防止电压击穿，应对其电压进行降额。为此，应对晶体管反向电压、电流、功耗及结温进行降额，通过降额后的反向电压、电流、功耗计算结温，如果不满足结温降额要求，应进一步降额。功率晶体管有二次击穿现象，应按照安全工作区进行降额，对于微波晶体管仅对其结温进行降额应用。晶体管不论通用、开关、稳压或低频、高频和微波或小功率和大功率二极管，温度仍然是影响其可靠性最重要的应力，所以对所有二极管的功耗和结温必须进行降额。为此应对其反向电压、正向电流、功耗及结温进行降额，同晶体管一样，如果不满足结温降额要求，应对反向电压、正向电流及功耗进一步进行降额，对其工作电压也要进行降额以防止电压击穿。二极管高结温和结点高电压是影响其可靠性最重要应力，结温受结点电流或功率的影响，所以应对其结温、电压、电流进行降额，如同上述器件一样，如不满足结温降额要求，可对其电压，电流进一步降额。半导体光器件电阻器按其功能可分为固定电阻器、电位器、热敏电阻器。对于固定电阻器和电位器影响其可靠性最重要应力为电压、功率和环境温度。对于热敏电阻主要是功率和环境温度。因此，应对上述参数分别进行降额使用。在降额应用电阻器时，其散热措施(本身的或外置的)也是降额应考虑的因素。电阻器不论是固体电容器还是可变电容器，影响其可靠性最重要应力为电压和环境温度。与其它电子元器件不同的是，降额的直流电压为其直流电压和交流电压峰值之和，而环境温度为其环境温度和交流负载引起的外壳稳升之和。对于大多数电容器而言，其所承受的交流电压随着频率的增长和其峰值电压的增加而导致其内部稳升增加，导致电容器失效。因此，在其高频应用情况下，其电压降额幅度应进一步加大，对于电解电容器更为敏感。电容器电感元件包括各种线圈和变压器，影响电感元件可靠性的主要应力是它的热点温度。热点温度额定值与线圈的绝缘性能、工作电流、瞬态初始电流及介质耐压有关。由于导线电阻及磁芯磁阻等原因，元件在工作时会发热，线圈中的过电流或不适当的工作频率均可能使元件过热，引起线圈绝缘击穿，造成短路或开路失效。因此，对电感元件主要是降低热点温度、工作电流、瞬态电压/电流、介质耐压。对于扼流圈还要降低额定电压。电感元件影响开关可靠性的主要因素是触点电流、电压和功率。对于不同的开关，其降额应力及幅值也不同。对于接触点连续电压根据不同的负载有不同的规定。开关影响连接器可靠性的主要因素有插针/孔材料、接点电流、有源接点数目、插拔次数和工作环境。连接器降额的主要应力是工作电压、工作电流和温度。对于连接器主要是降低其最高工作电压、额定工作电流及最高插针额定温度。在较低气压下使用的连接器应进一步降额防止电弧对连接器的损伤。连接器影响导线与电缆可靠性的主要因素是导线间的绝缘和电流所引起的温升，因而应对其最大应用电压和最大应用电流进行降额应用。同时，应考虑其应用温度而确定其降额幅值。导线与电缆电真空器件包括阴极射线管和微波管。阴极射线管大部分失效是热效应引起的阴极损坏或振动、冲击引起的电子枪组件损坏，因此应对其热应力和机械应力进行降额应用。对于微波管，影响其可靠性及寿命的主要因素是温度、输出功率、反射功率占空比，应对上述参数进行降额应用。电真空器件常用元件的降额系数①电阻的功率降额系数在之间②二极管的功率降额系数在0.4下，反向耐压在0.5以下③发光二极管电压降额系数在0.6以下，功率降额系数在0.6以下④功率开关管电压降额系数在0.6以下，电流降额系数在0.5以下⑤普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数在之间⑥钽电容的电压降额系数在0.3以下⑦电感和变压器的电流降额系数在0.6以下（2）简化设计

简化设计就是在保证产品性能要求的前提下，尽量减少产品设计的元器件种类和数量，减少潜在故障率，降低维修工作量和成本，减少产品的体积和重量，提高产品可靠性。简化设计应遵循以下原则：尽可能减少产品组成部分的数量及其相互间的连接。尽可能实现零、组、部件的标准化、系列化与通用化，控制非标准零、组、部件的比率。尽可能采用经过考验的可靠性有保障的零部件以至整机。尽可能采用模块化设计。具体原则尽量采用集成电路和门阵列充分发挥软件功能，最大限度的减少硬件电路，特别在BIT电路中综合考虑性能指标和可靠性，尽量采用简单可靠的电路和组件（3）热设计为什么要进行热设计?高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。元件的热特性假设两种电容在下能工作1000小时65度85度125度固体聚合物电解电容L2=L1×10^[(t1-t2)/20]约110年(1000000小时)约11年(100000小时)1000小时铝电解液电容L2=L1×2^[(t1-t2)/10）]约8年(64000小时)约2年(16000小时)1000小时温度对电解电容寿命的影响

据统计，电子产品所发生的故障中，有22.2%是由于温度原因引起的，在所有引起电子产品故障的原因中居首位。温度升高对电子元器件的可靠性会产生很大影响，而且温度对元器件失效的影响还随时间累积，经常性的过热会促使影响的速度加快，失效率迅速提高，可靠性下降很快。对电子设备而言，即使温度降低1℃，也将使设备的失效率下降一个可观的量值。温度对产品的影响高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落等。温度对电子元器件的影响：一般而言，温度升高会导致元器件电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降，一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95°C；温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。热设计其实是将热输入降低到最小的程度，并提供低热阻通道，把发热元件的热量传导到温度相当低的散热片上；或者提供通道将设备内的热量排到机外，达到降低设备工作温度的目的。设计原则：热设计主要考虑温度对产品的影响，通过器件的选择、电路设计及结构设计来减少温度变化对产品性能的影响，使产品能在较宽的温度范围内可靠地工作。必须与电气设计、机械设计同时进行，并相互兼顾；由于设备特性不同，要协调各设备间温控要求（常温、恒温、制冷、加热等）；热控制系统计算应与模拟实验相结合；所设计的热控制系统应具有充分的应变能力，可以在变化条件下维持稳定的性能；热设计的热控制系统应简单、可靠，符合规范。通常人们认为的使用环境是不易改变的，因此需要采用耐高温元件，或采取“强制性”制冷方法，使元器件工作在额定温度范围之内。什么是热设计？

利用热传递技术，降低发热元器件和部件本身的温度，使整机内部温度升降到所要求的范围，以提高设备抗温度应力的能力。这种可靠性设计称为热设计。热设计的流程热设计的要求（1）热设计方案要满足元器件降额应用对设备内温度的要求。因此一般电子工艺设备的机内温度应设法控制在45～65℃范围以内，对功率密度大一些的设备也不应超过50～70℃范围（一）热设计应满足设备可靠性的要求（2）整机的散热冷却方案应与设备的功率密度大小相适应。一般原则是当功率密度低于12.2kW/m3时，可选择自然冷却方案；当超过12.2kW/m3时，应选择强制风冷却方案；当超过43kW/m3时，则应选择水冷却方案；（3）对发热元器件采取散热措施时，要满足其对热阻的要求。一般原则是若发热元器件对热阻的要求大于30℃/W时，可不必采用散热措施；当对热阻的要求在2～30℃/W时，可采用散热器散热；当对热阻的要求在0.05～2℃/W时，则应采用轴流风机强制风冷散热等（4）对部件和元器件的布置要着眼于散热和降温。一般原则是发热量轻微或不发热的元器件应放在机箱下部；发热量大的、耐温能力强的部件应放在机箱上部，元器件与机箱之间的距离最好大于35～40mm，以利于空气对流及散热；（5）对温度有特殊要求的温度敏感元器件或部件应尽量使它们避开热源。必要时可采用隔离法将热源隔开，甚至可在结构上分开，各自独立成两部分。传热的基本方式热量从高温区流向低温区热量传递的基本规律高温区发出的热量必定等于低温区吸收的热量凡有温差的地方就有热量的传递：常用方法传导：

在固体材料中认为热流是由分子之间相互作用产生的。传导散热的措施有选用导热系数大的材料制造传导零件；加大与导热零件的接触面积；尽量缩短热传导的路径，在传导路径中不应有绝热或隔热元件。热传导服从傅立叶定律：式中：A-传导面积；-为温度变化；K-系数。对流

对流是固体表面与流体表面的热流动，有自然对流和强迫对流两种。在电子设备中流体通常指的是空气。对流散热的措施有加大温差，即降低周围对流介质的温度；加大流体与固体间的接触面积，如把散热器做成肋片等；加大周围介质的流动速度，使它带走更多的热量。对流换热可用牛顿冷却公式计算：

式中：分别为壁面与冷却流体的温度

辐射：

热由物体沿直线向外射出去，叫辐射。辐射散热的措施有在发热体表面涂上散热涂层；加大辐射体与周围环境的温度，即周围温度越低越好；加大辐射体的表面面积。辐射换热服从：

式中：-导热系数；-表面辐射率；-单位面积辐射量；-遮蔽效应系数。

热设计元件的位置和布局

元器件的位置和布局安排原则：发热元器件的位置应安排尽可能分散，如热敏感元器件不要靠近热点、不要使热敏感或高发热元器件相互靠近，对于自由对流冷却设备，不要将元器件正好放在高发热元器件的上方；为尽量提高组件的可靠性，元器件在布局上应使温度敏感元器件处于温度最低的区域；对于冷壁冷却的电路插件，应使敏感元器件靠近插件边缘。在元器件安装方面，热设计的目的是尽量减小外壳与散热器之间的热阻，具体原则有：（1）为尽量减小传导热阻，应采用短通路；（2）为尽量减小热阻，应加大安装面积；（3）为尽量减小热阻采用热导率高的材料；（4）当利用接触界面时，尽可能增大接触面积，以减小接触热阻。印制电路板及机箱的热设计

随着印制电路板上元件的安装密度增加，相应的发热功率密度上升。如：单块印制板的发热功率：5-10W；由集成电路组成的航空电子组件发热功率：20-30W；集成电路单位面积功耗：2。因此，印制板的温度控制迫在眉睫。印制板的尺寸按电子部标准SJ2313-83选取，减少热应力（产生焊点短开，板绕曲，铜箔层剥离，断裂或短路等）措施：对电阻、电容、二极管的安装、应先留有余量；对各种功率晶体管的安装可将应先弯曲后再插入印制板焊牢；对温度敏感元件应置于冷气的进口端，对自然散热的印制板应考虑气流流向；以开式机箱自然对流散热为例，由能量守恒原理，通风孔带走的热量为：式中：-定压比热容；-空气密度；-通风孔面积；-进出口温差。开式机箱总的热交换为：式中：分别为机箱侧、顶、底面积；为辐射系数；。机箱外面的自然对流热交换式为：利用能量守恒定律即可换算出温升，与设计要求对比看是否满足期望值。如果不满足，采用冷却防止制冷，冷却主要有自然冷却、强迫空气冷却、冷板式冷却。风路设计方法自然冷却的风路设计

（1）机柜的后门(面板)不须开通风口。（2）底部或侧面不能漏风。（3）应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。（4）机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间。自然冷却时进风口面积的计算

在机柜的前（后）面板上开各种形式的通风孔或百叶窗，以增加空气对流，进风口的面积大小按下式计算：Sin=Q/(7.4×10-5

H×Δt

×1.5)Sin-通风口面积的大小（cm2）；Q-机柜内总的散热量（W）；H-机柜的高度（cm），约模块高度的倍；Δt=t2-t1－内部空气t2与外部空气温度

t1之差（℃），出风口面积为进风口面积的1.5-2倍。强迫冷却的风路设计

如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源。如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，发热量小的区域元器件布局应稍密些或加导流条，使风能有效流到关键发热器件。如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用阻流方法，使大部分的风量流入散热器。进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。计算所需风量：

q′=Q/(0.335△T)式中：q′-实际所需的风量（M3/h），Q-散热量（W），△T--

空气的温升（℃），一般为10－15℃。按照1.5-2倍的裕量选择风扇的最大风量：

q=(1.5-2)q′

按最大风量选择风扇型号。强迫冷却风扇选择风道的设计原则：风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力；尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小；风道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形。例题：某信号电源机柜模块及系统均为自然冷却，每层模块的散热量为360W，模块的高度为7U，进出口温差按20℃计算，机柜实际宽度为680mm，试计算每层进出风口的面积？

解:

H按2倍模块的高度计算，即

H=2×7U=14U，进风口的面积按下式计算：Sin=Q/(7.4×10-5×H×△t×1.5)=360/(7.4×10-5×14

×4.44×20×1.5)=389.2

cm2进风口高度h，机柜的宽度按B=680mm计，则进风口的高度为：H=Sin/B=389.2/68=57.4mm出风口面积Sout

Sout=(1.5-2.0)Sin=2×389.2=778.4

cm2

例题10K

UPS主功率管部分的实际总损耗为800W，空气温升按15℃考虑，请选择合适的风扇。解:

实际所须风量为：q′=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h

按照2倍的裕量选择风扇的最大风量：

q=2q′=2×159.2=318.4m3/h自然冷却空气自由流动和热辐射优点：无噪音污染，工作可靠缺点：散热能力较差，适用于发热不高的场合强迫冷却的风路设计

如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源。如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，发热量小的区域元器件布局应稍密些或加导流条，使风能有效流到关键发热器件。如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用阻流方法，使大部分的风量流入散热器。进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。计算所需风量：

q′=Q/(0.335△T)式中：q′-实际所需的风量（M3/h），Q-散热量（W），△T--

空气的温升（℃），一般为10－15℃。按照1.5-2倍的裕量选择风扇的最大风量：

q=(1.5-2)q′

按最大风量选择风扇型号。强迫冷却风扇选择强迫冷却方式强迫空气冷却优点：散热能力较自然冷却明显提高缺点：有噪音，有震动，当风扇转速提高时噪音明显加大；可靠性不如自然冷却，如果风扇停转，可能导致温度超过设计指标风道的设计原则：风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力；尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小；风道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形。例题10K

UPS主功率管部分的实际总损耗为800W，空气温升按15℃考虑，请选择合适的风扇。解:

实际所须风量为：q′=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h

按照2倍的裕量选择风扇的最大风量：

q=2q′=2×159.2=318.4m3/hPCB的热设计PCB选材(1)印制板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超过125℃(常用的典型值。根据选用的板材可能不同)。由于元件安装在印制板上也发出一部分热量,影响工作温度,选择材料和印制板设计时应考虑到这些因素，热点温度应不超过125℃。尽可能选择更厚一点的覆铜箔。(2)特殊情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。(3)采用多层板结构有助于PCB热设计。有机材料FR4约为0.3PCB的热设计PCB元件布局(1)把发热高、辐射大的元件专门设计安装在一个印制板上;(2)板面热容量均匀分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如无法避免则放在气流的上游，并保证足够冷却风量;(3)使传热通路尽可能的短，使传热横截面尽可能的大;(4)元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响。对热敏感的部件、元器件(含半导体器件)应远离热源或将其隔离;(5)(液态介质)电容器的最好远离热源;(6)注意使强迫通风与自然通风方向一致;(7)附加子板、器件风道与通风方向一致;(8)尽可能地使进气与排气有足够的距离;(9)发热器件应尽可能地置于产品的上方，条件允许时应处于气流通道上;(10)(小信号放大器外围器件)尽量采用温漂小的器件;(11)尽可能地利用金属机箱或底盘散热。布线时的要求(1)根据器件电流密度规划最小通道宽度;注意接合点处布线;(2)大电流线条尽量表面化;可考虑采用汇流排;(3)要尽量降低接触面的热阻。为此应加大热传导面积;接触平面应平整、光滑,必要时可涂覆导热硅脂;(4)热应力点考虑应力平衡措施并加粗线条;(5)散热铜皮需采用消热应力开窗法,利用散热阻焊适当开窗;(6)视可能采用表面大面积铜箔;(7)对印制板上的接地安装孔采用较大焊盘,以充分利用安装螺栓和印制板表面的铜箔进行散热;(8)尽可能多安放金属化过孔,且孔径、盘面尽量大,依靠过孔帮助散热;(9)器件散热补充手段;(10)采用表面大面积铜箔可保证的情况下,出于经济性考虑可不采用附加散热器的方法;(11)根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来计算合适的表面散热铜箔面积系统的热设计与仿真FLOTHERM系统散热分析软件举例：从ATX标准到BTX标准ATX（ATExtend）标准由Intel于1995年提出，相对于原来的AT卧式机箱标准，ATX推荐使用立式机箱，设计了一条从前到后的风道，为CPU和电源功率的提升奠定了基础。经过近十年的发展，如今的处理器、显卡、内存甚至主板芯片组无论是工作速度还是在功耗上都提高了不少。为了解决电脑整体散热的问题，04年Intel推出了BTX（BalancedTechnologyeXtended）规范。相比年迈的ATX而言，BTX主要的改进便是在散热设计上。BTX规范重新设计了处理器、主板芯片组的位置，一个大尺寸风扇从机箱前面板吸入冷风，经过CPU、主板芯片组最终再将热风吹出机箱。如此来组建一个良好的散热风道。大尺寸风扇大尺寸风扇系统的热设计仿真大尺寸风扇热设计仿真软件

FLOTHERM系统散热分析软件介绍

FLOTHERM是一套由电子系统散热仿真软件先驱----英国FLOMERICS软件公司开发并广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件，全球排名第一且市场占有率高达80%以上。FLOTHERM采用了成熟的CFD（ComputationalFluidDynamic计算流体动力学）和数值传热学仿真技术并结合了FLOMERICS公司在电子设备传热方面的大量独特经验和数据库开发而成，同时FLOTHERM软件还拥有大量专门针对电子工业而开发的模型库。FLOTHERM软件的应用范围：芯片和器件封装级热分析和热设计PCB板级和模块级热分析和热设计系统整机级热分析和热设计

环境级热分析和热设计应用FLOTHERM软件可以在以上各种不同层次对系统散热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析。某电源FLOTHERM模型某电源FLOTHERM分析结果某电源设备的FLOMOTION后处理结果（4）容差设计

由于产品所用元器件容差的积累会使电路、设备的输出超过规定值而无法使用。系统性能不稳定或发生漂移、退化的原因有以下三种：组成系统的元器件参数通常是以标称值表示的，而实际却存在公差，如环境条件，如温度的变化会使电子元器件参数发生漂移；退化效应，随着时间的积累，电子元器件的参数会发生变化。一般来说，第一个原因产生的参数偏差是固定的；第二个原因产生的偏差在许多情况下是可逆的，即随着条件的变化，参数可能恢复到原来的数值；第三个原因产生的偏差是不可逆的。

设电子元器件的设计参数为，其性能特征值可以用如下关系式表示：在其名义值处按泰勒级数展开，取第一项：为了确定系统性能特征对各部件参数偏差的灵敏度的影响，引入如下关系式得到灵敏度对应的性能特征值偏差为：例题：

一个简单的振荡电路的设计方案：电感为5010%微亨（μH），电容为305%微微法（pF），试对该电路进行容差分析，若最大允许频移为200千赫（KHz），问该设计方按是否满足要求？若不能满足要求，如何改进？设电感/电容的偏差存在统计独立性

写出元件的名义值及公差建立数学模型，即建立频率与电感、电容之间的函数关系：写出灵敏度表达式设各元件的公差正负对称：其中频率的名义值为：允许频移值为，则允许相对频移值为

不满足要求改进措施：按照允许的要求分配给电感和电容，一般较多允许频移值分配给电感（这里取2/3），其余分配给电容（这里取1/3），即电感和电容的公差范围为：则得到新的实际频移为：满足要求实例：二阶带通滤波电路（1）二阶带通滤波器电路的传递函数为：式中，增益：中心角频率：中心频率：带宽：（2）各参数的标称值：

所有电阻容差tr=±2%，电容容差为tc=±10%；容差阵Tr：（3）计算Tn:（4）计算输出值：fork=1:32

end结论：电子线路可靠性容差分析在电子线路可靠性设计中非常重要.电磁兼容设计电磁兼容性（electromagneticcompatibility）

EMC是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何设备构成不能承受的电磁干扰的能力。电磁兼容设计任何电子设备均会产生一定的电磁辐射，自然界本身也会造成一定的电磁环境，如地磁、雷电等。一个电子设备可能同时受到来自外结合自身的干扰，也可能自身是一个干扰源而对其它电子设备产生干扰。当这种千扰超过一定限度时会是电子设备的精度受到影响甚至无法工作。所以要求所设计的电路、电子设备与周围其它电子系统之间相互兼容，能在外界电磁环境中按要求正常工作，这就是通常所说的电磁兼容设计。EMC分类一类是电子电路、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；另一类电磁兼容性问题就是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。干扰源传播途径：传导和辐射

辐射电缆耦合电容耦合电感耦合干扰源形成电磁干扰具备三个基本条件：1)有电磁干扰源存在；2)有相应的干扰传输途径；3)有敏感接受源。电磁兼容设计的依据电磁干扰的来源工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合或导线之间的互感造成的干扰设备或系统内部某些元件发热,影响元件本身或其他元件稳定性而造成的干扰大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其他部件而造成的干扰外部的高电压、电源通过绝缘漏电,外部大功率的设备在空间产生很强的磁场,通过互感耦合空间电磁,工作环境温度不稳定,引起电子线路、设备或系统内部元件参数改变由工业电网供电和由电网电压通过电源变压器所产生的干扰●屏蔽

屏蔽的形式是多种多样的。它可以是隔板、盒式封闭体，也可以是电缆或连接器式的屏蔽。屏蔽的效果与屏蔽材料、厚度、应用频率、辐射源到屏蔽层的距离及屏蔽层不连续的形状和数量有关。消除电磁干扰的措施●连接

“连接”是指在两金属表面之间建立低阻通路。它可以是系统地板上两点之间的通路，也可以是参考地与元件（电路）或结构件之间的通路。“连接”的目的是在结构上设法使射频电流的通路均匀，避免在金属件间产生电位造成干扰。有两种方法：（1）直接“连接”，即在“连接”件间形成金属—金属接触；（2）间接”连接“，即通过导电的接线形成两金属的连接。无论以上哪一种连接，均要求裸面的金属—金属连接，连接片或直接连接点的载流量必须足够，以便通过要求的电流。在低频时宜使用一点连接，在高频时宜使用多点连接。●接地：“接地“就是在两点之间建立导电通路，其中一点通常是系统的电气元件，另一点则是参考点。当涉及的系统元件为设备机壳或机架时，参考点有可能是飞机、导弹等结构件。当涉及的系统元件是地面支持设备内的电路时，则参考点可以是设备机壳或与机壳的接地板。一个良好的接地板或参考点是可靠的抗干扰设备运行的基础。一个理想的接地板应是零电位、零阻抗的物体。一个接地系统的有效性取决于减少接地系统电位差和地电流的程度。一个不好的接地系统，往往使这些杂散寄生的电压、电流耦合到电路、分系统或设备中去，从而使屏蔽有效度下降，在一定程度上抵消了滤波器的作用并产生电磁干扰问题。最简单最直接的方法是合理安排电路元件，使接地回线保持最短最直，并尽可能不使这些线路相互交叉，以减少电流与线路之间的耦合。●滤波

如果说屏蔽主要是解决辐射发射干扰的话，那么滤波主要是解决通过传导途径造成的干扰。当然，两者均涉及到“连接”和“接地”技术。电磁干扰滤波器的有效性很大程度上受源阻抗和负载阻抗的影响。根据实际情况选择滤波电路：如果滤波器准备接到两个方向均为低阻抗的线路中，则应选择包含更多串联部件的滤波电路（如T型滤波器）。反之，如果滤波器准备接到两个严重失配的阻抗之间，则可选择L型滤波电路，此时串联元件应面向系统的低阻抗一边。在设计和选择滤波器时必须考虑滤波器输入与输出阻抗的匹配、滤波器要有足够的耐压强度、必须考虑滤波器的额定电流值及滤波器的高可靠性要求等等。接地系统的设计一点接地降低地线阻抗接地线应尽量短和粗，一般接地线的宽度应大于3mm。避免各电路间、各单元间通过公用地线相互产生耦合干扰应各自构成回路。有大脉冲电流的电路，应有独立接地系统。电缆屏蔽线不要用辫子线接地。同轴电缆传输低频信号时，发生器端屏蔽线单点接地，对高频信号多点接地。

采用隔离变压器、中和变压器、光电耦合器和差动放大及共模输入等措施。屏蔽技术在静电屏蔽设计时要注意，屏蔽体要有良好的接地，一般接地电阻应小于2m，屏蔽体应该将干扰源严密包围。磁屏蔽设计是针对低频磁场干扰而采取的措施其基本原理是用高磁导率的材料将干扰源四周的磁场短路，使其不致外泄，影响其他的部件正常工作。磁屏蔽时应注意，选用起始磁导率高的材料，尽量提高屏蔽效果，且屏蔽壳应足够厚，尽量采用多层屏蔽代替单层屏蔽。电磁屏蔽设计是针对高频电磁波的干扰而采取的措施，电磁屏蔽设计利用金属对电磁波具有吸收和反射的作用将设备和电路保护起来，在设计时应选用对预期频段电磁波吸收损耗和反射损耗都大的材料作为屏蔽体。电子线路板EMC设计（1）元器件选择通过抗干扰筛选，可以使得元部件抗干扰能力增加10-30db。（2）电路连接应尽量缩短，尽可能减少寄生耦合；采用屏蔽双绞线使电路有高信号电平和低阻抗特性。（3）对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或减少互感耦合。（4）单点接地减少地线公共阻抗耦合；数字地和模拟地分别与电源端地线相连；地线应尽量加粗；可采用网格状地线系统；布线应尽量短，不要有分支和突然拐弯，那样可能会导致反射和产生谐波。

（4）电源设计：选择线性电源或在开关电源增加标准电源滤波器，以实现串模、共模干扰信号的双向抑制；尽量减小电源线走线的有效包围面积，以减小电磁耦合；集成电路和运算放大器电源引脚加接去耦旁路电容；（5）输入、输出线不要紧靠时钟或振荡器、电源线等电磁热线，晶振及谐振电容布线要尽量靠近CPU芯片，晶振外壳要接地。；（6）光电隔离：光电耦合器能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪小干扰，提高信噪比。（7）时钟线、信号线和地线的距离要近，以减少电路工作时引起的内部噪声。（8）模拟和数字电路要分层布局，以达到板上各电路之间的相互兼容。。容错计算机电磁兼容设计元器件选择：实用固态钽电解电容，不容易在瞬变电压下击穿采用片装电阻器以适应超高频，采用带屏蔽的继电器电源输入口进行高频和低频滤波模拟电路要控制放大器的带宽响应，数字电路要限制脉冲波形的尖峰电源线和地线硬短、粗，接入高频特性好的电容进行去耦滤波元器件筛选

ESS(Environmentstressscreen)是通过向电子产品施加合理的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，并通过检验发现和排除的过程，是一种工艺手段。其目的是筛选剔除早期失效的产品，提高产品的可靠性水平。100%筛选环境应力筛选时间的确定GJB1032电子产品环境应力筛选方法温度循环试验时间为40h;随机振动连续施振时间5min;试验时间的推导(典型的浴盆曲线):故障率随时间变化规律为:机械产品概率设计方法常规设计法把强度和应力看成是确定的量与真实情况不符。安全系数法并不一定安全，由于零件材料的强度并不是总大于零件所受应力。常规设计方法完全忽略了设计变量和参数的随机性这一重要的事实。安全系数设计方法问题机械产品的可靠性设计

（1）静强度的可靠性设计

假设表示材料的强度，表示受到外界的应力，它们都是随机变量，其密度函数分别为。

机械产品的可靠度：

假设应力和强度随机变量不相关，把干涉分布区放大，应力值落于宽度为的小区间内的概率等于单元的面积，即：强度大于某一应力的概率由下式给出：应力和强度分布及分布参数的确定

已知零部件所用材料的强度概率分布和所受应力的概率分布才可能计算出其设计零部件的可靠度，这是可靠性设计区别于传统设计方法的最基本点。试验表明，材料强度的概率分布一般符合正态分布规律，在一些文献和材料手册中还提供了这些分布的参数（均值和标准差）。但是在多数情况下，我们不知道强度和应力的概率分布及其参数，这就给可靠性设计带来很大的困难。下面近似公式当应力和强度随机变量不相关的前提下，应力值位于小区间内，同时强度却超过在此小区间内所给出的应力。这一情况出现的概率为，而对于应力所有可能强度均大于应力概率，所以零件可靠度是：若按应力始终小于强度这一条件推导，可以得出另一等价形式：若随机变量具有数学期望，方差。则对任意正数，不等式：成立，这就是切贝雪夫不等式(ChebyshevInequality)。切贝雪夫不等式给出了随机变量分布未知的情况下，事件的概率估计方法。如取，则原则

原则用于正态分布：

可以发现随机变量落在区间的概率达99.6%，即落在区间之外的概率只有0.4%。因此，切贝雪夫不等式及“原则”的概率估计值有一定的保守性。根据这个原则，如果我们已知材料强度（或应力和几合尺寸）的最大值和最小值，便可计算出材料强度的均值和标准差材料手册中只提供材料的抗拉强度极限，而不知其均值和标准差,如何求系统的可靠性设计所需的均值和标准差呢？

是从一批试件中90%试件超过的强度值，其可靠度为90%。但是，我们所要求的强度均值是对应于50%可靠度的，显然强度均值大于强度极限。如取标准差与均值之比为（又称变异系数,查表可得），则抗拉强度的均值和标准差可按下式计算：材料的疲劳强度均值和标准差对机械零件中受交变载荷的部件可靠性设计是不可缺少的数据。当在材料手册中查不到液压泵的疲劳强度数据时，可根据材料的抗拉强度极限，按下式来推算其疲劳强度均值和标准差:对碳素结构钢

对合金结构钢

而疲劳强度的标准差则为

各类强度一应力分布的可靠度计算

(1)应力和强度均服从正态分布应力s的分布函数:强度δ的分布函数:定义:则:令:则积分下限为:产品的可靠度为:复杂函数的均值和标准差(2)应力和强度均服从威布尔分布应力s的分布函数:

强度δ的分布函数:系统不可靠度:令:则:产品的可靠度为:例题1P有一受拉杆件，载荷的均值为，其标准差为，杆件截面积的均值为，其标准差为，试求应力s的均值和标准差。解：由于载荷和截面积均为正态分布，则其应力也为正态分布，其均值为：

标准差为:(3)与时间有关的应力—强度可靠性设计设某一零件的初始应力服从均值和标准差的正态分布，已经观察到应力随时间变化服从下列规律：零件材料的强度也是是正态分布的随机变量。初始强度的均值为标准差为，强度的退化规律为：s3s2s1循环次数(N)则零件在n次循环后，其耦合方程为：查附表1可以得到:从而得到产品的可靠度:例题

某零件所受的初始应力服从均值为和标准差为的正态随机变量，其中:零件材料的强度也是正态分布的随机变量，初始强度的均值为,标准差为,试求10000次循环后的可靠度。如果应力水平不随时间而增长，始终保持在，强度仍按上述呈线性下降，求次循环后的可靠度。解:查标准正态分布表得到不可靠度，故可靠度为:如果应力水平不随时间而增长，强度仍按上述呈线性下降，则耦合方程为:

查标准正态分布表得到不可靠度故可靠度为:机械磨损量与其寿命的关系在机械设计中，有许多机械零件如轴承、齿轮、密封圈、活塞环、离合器以及过盈联接等，它们构成不同形式的摩擦副，在外力作用下，有的还受热力、化学和环境变化的影响，经过一定时间的磨损而故障。设磨损量的概率密度函数为,耐磨寿命密度函数为，各函数的下角标分别表示给定的寿命或给定的磨损量。假设磨损量的变化具有稳定性磨损过程，即磨损量与时间成线性关系:单位时间的磨损量，当零件的累积工作时间达到t的可靠度为：其中t(w)为零件磨损量为w条件下的耐磨寿命。假设服从正态分布，即:用置换成标准正态分布:其中分别为平均耐磨寿命和耐磨寿命标准差。同样，如果给定规定时间t，按照磨损量分布密度预计零件的可靠度，那么在规定允许磨损量w时:其中是w(t)到达t时零件的累积磨损量。假设给定时间t的磨损量密度函数服从正态分布，即:用置换成标准正态分布:其中分别为平均磨损量和磨损量标准差.以上分析为理想情况，通常零件磨损量按照要求给定时间有一个允许的磨损分布，然而在实际的试验结果中，这种实测到时间t的磨损分布是服从另外参数的正态分布。这两种正态分布的均值和标准差分别为和，要求在任何情况下在时间t内满足，这种情况类似于强度可靠性的干涉情况，随机变量的概率，即可靠度在时间t为:例题由试验数据统计知道，浮动花键轴在工作到60小时时，磨损量的平均值为微米，标准差为微米，设计上允许零件的磨损量为微米，试计算工作到60小时的零件可靠度。解:查正态分布表得到:故耐磨可靠度为:机械产品老化过程的可靠度

机械产品老化是不可逆过程，老化包括脆性、韧性破坏、变形、材料性能变化、腐蚀、粘附、表面性能变化（如硬度、粗糙度等）和磨损等，老化的过程就是机器出故障前的物理化学过程。为了描述老化零件的可靠性，首先必须研究由老化而产生的机械损伤，记为零件的损伤值U(t)，它一般是时间的函数，如果用表示零件的损伤速度，它与损伤值的关系为：当损伤值超过允许范围时，零件则发生故障，由于零件故障的原因各有差别，所以U(t)也是十分复杂的，有线性损伤过程或非线性损伤过程。这里假设磨损是线性增长的，则:其中为过程进行速度，一般为正态分布:如果磨损允许的最大值为Umax根据产品正确工作条件可确定，当U(t)=Umax就达到了极限状态，对应于使用周期T是随机变量的函数:则产品的平均使用寿命为:当已知随机变量的密度函数后，可以计算随机变量T的密度函数:式中是的反函数，，代入求得产品使用寿命的密度函数:式中为变异系数，为损伤过程的标准差,可以得到产品能工作到T时间的可靠度：为了计算方便,引入无量纲量:则:或得到:渐发性故障的形成当超过