可靠性预计规范V3

可靠性预计规范规范编码： TS-S100002005版本：V3.0密级：秘密艾默生研发测试部执笔人：梁宁页码：第21页共24页可靠性预计规范规范编码： TS-S100002005版本：V3.0密级：秘密艾默生研发测试部执笔人：梁宁页码：第1页共23页可靠性预计规范艾默生网络能源有限公司

修订信息表版本修订人修订时间修订内容V1.0胡林忠2000.1.21新拟制V2.0宋学东2002.1.17升级，加入系统预计方法V3.0梁宁2006.11.10改为Word格式；增加机电部分的预计方法说明；删除了指导性不强，易造成混淆的部分文字；明确了在预计报告的分析结果中需包含的内容；新建可靠性预计报告英文模板

目录TOC\o"1-3"\u1.目的 52.适用范围 53.短语或缩写 54.引用/参考标准或资料 55、规范内容 55.1可靠性预计概述 55.1.1可靠性预计的作用 55.1.2可靠性预计的步骤 65.1.3可靠性模型 75.1.4可靠性预计方法的选择 75.1.5系统的可靠性预计 85.2单板、组件或单元模块的可靠性预计方法 85.2.1环境因子 95.2.2质量因子 105.2.3电应力因子 105.2.4温度因子 115.2.5计算示例 125.3机电部件的可靠性预计方法 135.4系统可靠性的预计方法 145.4.1串联模型系统的计算 145.4.2并联模型系统的计算 155.4.3表决冗余模型系统的计算 155.4.4复合结构系统的计算 165.4.5可修系统预计模型 166、可靠性预计结果的分析 186.1高失效率器件清单和有关对策分析 186.2单板、模块或组件的失效率随温度变化情况分析 186.3系统MTTR与系统可用度的关系分析 187、附录 19

前言本规范由艾默生网络能源有限公司研发部发布实施，适用于本公司的产品设计开发及相关活动。本规范替代以前公司的同名规范，老版本的规范废除。本规范更换了新的模板，并根据公司产品开发实际情况规定了我司产品进行可靠性预计时所采用的方法，明确了对于预计结果，需要进行分析的内容。本规范由：研发部遵照执行。本规范拟制部门：测试部可靠性室本规范拟制人：梁宁本规范审核人：胡林忠本规范批准人：曾卫国

1.目的本规范的目的是保证可靠性预计过程的规范性和预计结果的准确性。规范中规定了：我司产品可靠性预计采用的方法对预计结果需要进行分析的内容可靠性预计报告的模板2.适用范围适用于公司内电子类（电源等）、机电类（户外柜等）产品，不适合软件产品的可靠性评估。3.短语或缩写MTBF：meantimebetweenfailure，平均故障间隔时间MTTF：meantimetofailure，平均故障前时间MTTR：meantimetorepair，平均修复时间Life:使用寿命A:Availability,可用度4.引用/参考标准或资料TelcordiaSR-332，ReliabilityPredictionProcedureforElectronicEquipment,Issue1,May2001NPRD95，Non-electronicpartsreliabilitydata,IssuedbyRAC5、规范内容5.1可靠性预计概述5.1.1可靠性预计的作用1）评估产品的可靠性（MTBF）水平注1。2）评估产品规格书中的可靠性指标是否合理。3）估计产品由器件失效所致的返修率水平。4）发现产品组成部分的可靠性水平和薄弱环节。5）为可靠性验证试验等其它工作提供基础数据。6）向客户提供可靠性评估文件，满足市场投标的需要。注1：鉴于目前工业界在可靠性预计方法上存在一定的误差，可靠性预计结果并不代表产品的实际可靠性表现。本规范的意义在于采用标准的方法对产品的可靠性水平进行预估，通过比较我司类似产品的可靠性预计结果和其实际运行情况，了解预计产品的可靠性水平。5.1.2可靠性预计的步骤1）分析系统的组成，界定子系统功能、明确失效的定义；2）如果系统存在冗余结构，需根据系统功能或物理构成关系、原理图等确定系统的可靠性框图模型（逻辑关系）；3）按照所选择的预计方法自下而上分级进行计算，得到产品的可靠性水平；4）估算返修率指标；5）对元器件的失效率进行排序，识别出失效率高的元器件。下图给出了可靠性预计的程序：是是否是否结束建立可靠性模型决定π因子水平查找失效数据手册shouce是否冗余依据公式计算器件失效率依据解析或仿真方法计算总失效率建立可靠性模型是否冗余依据解析或仿真方法计算总失效率依据产品情况选择失效率计算系统的失效率及其它可靠性指标开始界定系统功能、分解系统电子部分机电部分文件准备（BOM、降额表）5.1.3可靠性模型可靠性模型可分为任务可靠性模型和基本可靠性模型。一般用可靠性逻辑框图表示。可靠性框图是从可靠性角度表示组成系统的各部分间的逻辑关系。例如，串联、并联，旁联等。1）任务可靠性模型在任务可靠性模型中，首先要依据产品功能和实际运行环境，界定产品“可靠”的定义，明确产品在什么状态下是“不可用”的。然后依据产品的真实物理结构、逻辑功能，将其分解成由最小的功能单元组成的系统框图。最后将组成系统的功能单元按可靠性的逻辑关系重新组合生成可靠性逻辑框图。可靠性框图间的连接关系有时和真实物理意义上的逻辑关系是不同的。2）基本可靠性模型基本可靠性模型是一个串联关系的模型，即假设系统中的任一单元（包括冗余单元）发生故障后，产品都需要维修或更换。5.1.4可靠性预计方法的选择公司要求所有的硬件产品在样机开发阶段必须进行可靠性预计，其他开发阶段可根据项目特点确定是否进行可靠性预计。在产品开发周期的不同阶段可采用不同的预计方法进行预计：1）产品指标论证阶段可依据相似产品的可靠性预计结果来估计新产品的可靠性指标。例如，以同一系列的产品或者同类产品的可靠性预计数据，参考新旧产品间器件种类等差异后，评估得到。2）产品计划阶段在本阶段可知道产品的每个组成部分的原理图、元件清单和工作环境。对于电子部分预计时可采用TelcordiaSR332标准中的方法1Case1(计数法)进行。这种方法只需要器件种类和数量的信息即可预计。对于机电部分可直接在NPRD95手册中查找有关部件失效率的典型值。3）样机开发阶段由于已经知道产品中各器件的实际工作情况，对于电子部分预计时一般采用TelcordiaSR332标准中的方法1Case3(应力法)。该方法预计除了需要计数法中的信息外，还需知道器件在实际的应用环境中所承受的电应力、温度应力情况。对于机电部分可直接在NPRD95手册中查找有关部件的具体失效数据。4）产品量产阶段在本阶段由于已经知道老化筛选时间的和现场的有关失效数据，对于电子部分可以使用SR332标准中的方法2或方法3进行预计。5.1.5系统的可靠性预计系统的定义为：为完成某一特定功能由多个独立的子系统或组件、单元设备组成的产品。在预计时假设系统中单元的寿命和修理时间均为指数分布。可修系统可靠性预计的主要指标是MTBF和系统可用度，不可修系统可靠性预计的指标是MTTF。系统的可靠性预计主要依据数学中的随机过程理论。一般可用马尔科夫（Markov）过程来描述系统的状态，通过建立马尔科夫方程然后用解析的方法求出有关指标。此外，也可以使用MonteCarlo仿真的方法进行预计。我司目前使用的RELEX分析软件可进行上述两种方法的预计。在本规范中规定，系统的可靠性预计采用MonteCarlo仿真的方法进行。5.2单板、组件或单元模块的可靠性预计方法对于单板、组件或单元模块产品，一般是不可在线维修的，其可靠性模型均为串联模型。即任一器件失效均会导致产品出现返修情况（不一定会导致产品输出中断）。对于电子部分的可靠性预计基于TelcordiaSR332标准中的方法I进行。方法I中规定了3种情况，CASE1、CASE2、CASE3。其中CASE1、CASE2通常称为计数法，CASE3称为应力法。Case1情况：整机老化筛选时间≤1小时，无器件级的老化筛选。预计时假设所有器件均工作在40℃的环境温度和50%的电应力下。Case2情况：整机老化筛选时间＞1小时，无器件级老化筛选。预计时器件假设工作在40℃的环境温度温度和50%的电应力下。Case3情况：器件在除40℃和50%的电应力条件以外的其它情况。器件在偶然失效期的使用失效率为：λSSi=λGi×πE×πQi×πSi×πTi（5.2-1）产品的总的失效率为：λSS=λSSi （5.2-2）式中：λSS－器件工作失效率

λG－器件基本失效率（参考附录A）

πE－环境因子

πQ－质量等级因子

πS－电应力因子

πT－温度应力因子i－第i个器件5.2.1环境因子根据产品的实际使用环境确定。表1环境系数环境类型符号πE对应的环境条件受控的地面固定GB1环境应力接近为0的最佳工作和维护环境。典型的应用包括中心办公室，环境条件受控的地下室，环境条件受控的远端掩蔽所，以及环境条件受控的用户指定场所。不受控的地面固定GF2具有一些环境应力，有限的维护。典型的应用有：远程终端，用户指定的有一定振动、冲击、温度或大气变化的场所车载地面(包括车载和便携)GM6比GF条件更严酷，更多的冲击和振动，更多的维护限制且对操纵者易造成不良影响，典型的应用有：车载电话、便携式操作设备和试验设备。商业空运AC10环境条件比GF更加恶劣，更严重的压力、温度、冲击和振动。此外，相对GF对维护有更多的限制。典型的应用有：商业飞机中的旅客客舱。商业空间SC15低的地球轨道，条件如AC，但没有任何的维护。典型的应用有：商业通讯卫星。5.2.2质量因子根据我司的实际情况，所有元器件质量水平定为III级，选取πQ＝0.9表2质量系数质量等级πQ等级描述06这一级别是指那些经返工、修改、抢修的商用器件，在生产过程中没有进行质量认证、控制，主要的设备生产厂家或其设计或生产承包商没有建立一个有效的反馈和纠正措施系统。然而，为确保器件满足设计应用而采取了相应的步骤。I3这一级别是指商用的器件，其获得和使用没有经过设备生产厂家全面的器件质量认证和控制。但是,(a)为确保器件满足设计应用和生产过程而采取了相应的步骤，(b)建立了一个有效的信息反馈和纠正措施系统以快速的定位和解决生产和现场中的问题。II1这一级别的器件需满足等级I中的(a)和(b)，以及下面的要求：(c)销售说明书中必须明确地说明器件主要特性（电特性、机械特性、热特性以及环境特性等）和可接受的质量等级（如：AQLs,DPMs等）(d)器件或器件生产商必须是在优选器件或生产商清单上的(器件认证必须包括寿命和使用期限试验)(e)质量控制：设备供应商或器件供应商必须进行了充分的AQLs/DPMs以确保持续的质量水平。III0.9这一级别的器件是指满足质量等级I和II中从(a)到(e)以及如下的要求的器件：(f)器件系列必须要有周期性的重新质量认证(g),质量控制必须包括寿命周期早期的100％的筛选（温度循环或老化）可靠性控制，(h)必须进行老化筛选，且要明确可接受的缺陷数，并且不能超过2％，(i)器件或设备供应商必须进行持续的可靠性增长5.2.3电应力因子在计数法中,假设器件都工作在50％应力条件下，此时πS＝1。在应力法中，由于器件的类别不同，需要考虑的应力是不同的。表3列出了各类器件的应力。表3降额定义器件类别应力比电容使用的直流电压与交流峰值电压之和/额定电压固定电阻使用功率/额定功率可调电阻/全部阻值/额定功率Vin2继电器、开关接触电流/额定电流(根据不同的负载确定,如阻性,感性以及指示灯)一般功能二极管，半导体,闸流管平均前向电流/额定前向电流齐纳二极管实际齐纳电流或功率/额定齐纳电流或功率变容二极管，阶跃二极管，隧道二极管实际耗散功率/额定功率晶体管实际耗散功率/额定功率电应力因子可以由下式给出：πS=em（p1−p0）其中：p1－使用应力百分比；p0－参考应力(50%)；m－调整参数在SR-332标准中注明了器件所适合的曲线。表4降额调整参数曲线ABCDEFGHIJKm0.0060.0090.0130.0190.0240.0290.0350.0410.0460.0590.006注：对于曲线K，当P1<50%时，πS=1。并不是所有的器件都需要考虑电应力因子和温度应力因子的。依据标准，数字IC、模拟IC、存储器、可编程逻辑器件、光电器件、感性元件（变压器、线圈）、连接器仅需考虑温度应力，πS都取1。SR-332标准中表11-1所列的元器件，皆不用考虑电应力和温度应力，πS、πT都取1。例如：晶振、晶体、保险丝、电池、仪表等。5.2.4温度因子在计数法预计中，假设器件都工作在40℃条件下，此时πT＝1。温度应力因子πT可以由下式给出：πT＝其中：T0－相对温度，T0＝40＋273＝313T1－工作温度，T1＝器件工作环境温度＋273，器件工作温度选取器件上方0.5inch（1.27cm）处空气温度；Ea－激活能k－波尔曼常数，k=8.62×10-5在SR-332标准中注明了器件所适合的激活能曲线。表5激活能曲线12345678910Ea0.050.10.150.220.280.350.40.450.560.7在整个预计过程中，关键的一步是按照SR-332标准的元器件分类将需预计的元器件归类，并掌握预计所需的器件信息；如果有元器件厂家提供的失效率数据，则可以直接使用而不需查SR-332标准。5.2.5计算示例采用RELEX软件来计算可靠性指标时，只要将元器件清单导入软件，并且输入具体的电应力和温度应力值即可计算出失效率，详细请参考《RELEX可靠性预计指导书》。以下示例说明元器件的工作失效率是如何计算出来的。例如，计算产品中整流二极管的工作失效率：λS=λG*πQ*πS*πT*πE式中：λG大功率二极管的基本失效率，查Telcordia手册为22Fits，温度曲线选择4，电应力曲线选择为E;πQ质量系数，质量等级为II级，系数为πQ＝1；πS电应力系数，工作导通电流10.5Α，额定工作电流为35Α，降额为0.3，查表C2，Ε曲线对应0.3的电应力系数为πS＝0.6；πT器件的温度系数，元器件的实际工作环境温度为60℃，查表C3，曲线4对应60℃时的温度应力系数πT＝1.5；πE使用环境是GF，环境系数为πE＝2；所以该元器件的工作失效率为：λS=λGπQπSπTπE＝22×1×0.6×1.5×2＝39.6Fits5.3机电部件的可靠性预计方法本规范中机电部件指：那些以机械动作为主要功能，电子部件为辅的机电组件，以及不包括电子器件的纯粹的机械部件。对于前者，如果其电子部件的失效率是远远低于机械部分的，可忽略；反之则归为电子部件。机械部件的寿命模型一般不完全服从指数分布，对于由疲劳损伤原因导致故障的部件其寿命模型一般用威布尔分布表示；对于由磨损原因导致故障的部件其寿命模型一般用正态分布或对数正态分布表示。由我司产品的特点决定，一般情况下机械结构部件均为外部采购。因此失效率的数据可要求生产厂商提供，也可以通过有关的可靠性试验，从试验的结果中得到。除上述两种方法外，还可以基于NPRD95非电器件可靠性数据手册进行预计。该手册是由美国可靠性分析中心发布的，数据多来自结构部件的生产厂商。在该手册中每种部件的失效率可能有多个数据。预计时要从中找出每个部件失效率的最大值和最小值。从而最终计算得出整个机械部分失效率的最大值和最小值。因此，机电部分的失效预计结果是一个区间值。我司目前的机电类产品主要是空调和户外柜。其主要机电部件的失效率如下表6所示，有关数据来自NPRD95手册。表6NPRD95手册中机电部件的失效率部件分类子分类失效率(Fit)最大最小典型螺旋式压缩机CompressorScrewType192344527915092膨胀阀ValveExpansion264864694蒸发器EvaporatorCoil,directexpansion77602994631冷凝器CondenserPropeller248594933430560电磁阀ValveSolenoid240416651586压力开关SwitchContactpressure-1401405.4系统可靠性的预计方法系统的可靠性预计主要分为不可修系统和可修系统两类。5.4.1串联模型系统的计算当组成系统的所有单元不可在线维修，任意一个单元发生故障（失效），都将导致整个系统发生故障（失效），其可靠性逻辑关系为串联。…图1串联结构模型假定n个单元相互独立，且各单元的失效率已知，则有：λS=λiMTTFS=1/λS式中：λS－系统的失效率，λi－单元的失效率，MTTFS－系统的平均寿命。5.4.2并联模型系统的计算组成系统的所有单元都不可在线维修，系统中只要有一个单元正常工作，系统仍可正常工作，这样的系统称为并联系统。图2并联结构模型假定n个单元相互独立，且各单元的失效率已知，则有：式中：λi－单元的失效率，λj－单元的失效率，MTTFS－系统的平均寿命。5.4.3表决冗余模型系统的计算表决冗余系统，也常称为“n中取k系统”。在组成系统的n个单元中只有大于k个单元正常工作，系统才能保持正常的工作状态。通常n个组成单元都是相同的。对于我司一次电源系统的整流模块，其可靠性模型就是n中取k的系统。图3n中取k表决结构的可靠性框图假定n个单元相互独立，且失效率相同，则有：式中：λ－单元的失效率，MTTFS－系统的平均寿命。5.4.4复合结构系统的计算复合系统定义为串联、并联、表决等多种可靠性结构模型的组合。对于复合结构的可靠性预计，首先需要将系统按不同结构划分为几个子系统，然后根据子系统中的各单元的失效率计算出其本身的失效率，最后再计算复合系统的可靠性指标。图4复合结构的可靠性框图5.4.5可修系统预计模型对可修系统，假设失效率、修复率均为常数。计算时采用蒙特卡罗仿真法得出近似解。对于可修的产品，其可靠性指标主要有：系统的可用度（A，Availability）、MTBF、MTTR。对于MTTR值，需参考实际的维修时间评估得出。有关使用可靠性分析软件进行系统可靠性预计的方法，请参考《RELEX可靠性预计操作指导书》。（1）通信电源系统可靠性预计模型示例图5通信电源系统可靠性预计模型（2）UPS系统可靠性预计模型示例图6UPS单机＋旁路系统可靠性预计模型图7UPS1＋1并机＋旁路系统可靠性预计模型6、可靠性预计结果的分析6.1高失效率器件清单和有关对策分析从预计的结果中可以知道产品中失效率最高的器件是哪些，对于这些器件，需要分析在设计过程中是否考虑了如下情况：该器件在我司使用的历史失效情况同一编码下不同厂家器件的可靠性情况是否有较大的差异该器件的故障模式影响分析降额是否足够6.2单板、模块或组件的失效率随温度变化情况分析对于系统，从预计的结果中可以知道产品中哪些单板或组件的失效率是最高的，它们随温度变化的趋势是怎样的。需要分析在设计过程中是否考虑了如下情况：对于那些随温度变化失效率升高很快的单板或组件其散热设计是否合适；对于失效率高的单板或组件是否考虑了冗余措施。6.3系统MTTR与系统可用度的关系分析系统可用度＝MTBF/（MTBF+MTTR），当MTBF预计结果已知后，对于不同的MTTR值，系统可用度也是不同的。分析中要说明MTTR数据的来源，以及MTTR的值等于多大时，其系统可用度是不可接受的。

7、附录附录A电子元器件失效率一览表名称规格描述λG(FIT)温度曲线应力曲线备注模拟IC晶体管数：1～100199Telcordia101～300469Telcordia301～1000819Telcordia逻辑IC逻辑门数：Bi:126EIAJ1～100MOS:158101～1000Bi:206EIAJMOS:2881001～3000Bi:356EIAJMOS:478IC(DRAM)逻辑容量：B<16K149EIAJ16K<B<64K199EIAJ64K<B<256K239EIAJ256K<B<1M329EIAJIC(MOSROM/PROM/EPROM)逻辑容量：B<16K189EIAJ16K<B<64K229EIAJ64K<B<256K2310EIAJ256K<B<1M3610EIAJ微处理器位数：8位以下Bi:61MOS:898EIAJ16位Bi:110MOS:1708EIAJ32位Bi:230MOS:3808EIAJ硅晶体管<0.6W44E,EcTelcordia0.6-6W64E,EcTelcordia>6W104E,EcTelcordiaFET线性FET404ETelcordia开关MOSFET204ETelcordia可控硅可控硅204EEIAJIGBTIGBT994EEIAJGTOGTO2