電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計

電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計第一頁，共46頁。電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計元器件的選用與控制(GJB546-88，電子元器件可靠性保證大綱

)電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計原則降額設(shè)計(GJB/Z35-93，元器件降額準(zhǔn)則

)冗余設(shè)計最壞情況設(shè)計電路漂移設(shè)計元器件誤差統(tǒng)計分析電磁兼容性設(shè)計

熱設(shè)計(GJBZ27-92，電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊）第二頁，共46頁。電子元器件的選擇與使用為什么要控制選擇與正確使用電子元器件電子元器件的失效規(guī)律我國電子元器件的標(biāo)準(zhǔn)概況元器件的選擇控制元器件的正確使用返回第三頁，共46頁。為什么要控制電子元器件的選擇與正確使用電子元器件是電子、電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，是能夠完成預(yù)定功能而不能再分割的電路基本單元，其自身的可靠性是十分重要的；設(shè)計人員注重元器件的功能與性能，不關(guān)心其“質(zhì)量等級”、“失效率等級”；元器件的采購缺乏產(chǎn)品可靠性概念，渠道不暢、不穩(wěn)；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，而是由于使用者對元器件選擇不當(dāng)或使用有誤。航天部半導(dǎo)體器件失效分析中心的統(tǒng)計數(shù)字：第四頁，共46頁。電子元器件的失效規(guī)律電子元器件的失效原因制造質(zhì)量問題可靠性問題耗損問題設(shè)計問題第五頁，共46頁。電子元器件的失效規(guī)律電子元器件的典型失效率曲線返回第六頁，共46頁。電子元器件的質(zhì)量等級質(zhì)量等級：是指元器件裝機使用之前，在制造、試驗及篩選過程中其質(zhì)量的控制等級。

它對元器件的失效率有很大的影響。目前，預(yù)計國外、國內(nèi)元器件失效率時，用質(zhì)量系數(shù)πQ作為不同質(zhì)量等級對元器件工作失效率影響的調(diào)整系數(shù)。國外電子元器件的質(zhì)量等級第七頁，共46頁。半導(dǎo)體集成電路質(zhì)量系數(shù)等級返回國內(nèi)元器件的質(zhì)量等級電子元器件的質(zhì)量等級第八頁，共46頁。元器件的選擇與控制目的保證元器件的性能、質(zhì)量等應(yīng)滿足產(chǎn)品要求；保證暢通的采購渠道、穩(wěn)定的貨源；減少品種；降低采購費用；正確的使用。選擇控制的總原則元器件的技術(shù)性能、質(zhì)量等級、使用條件等應(yīng)滿足產(chǎn)品要求；優(yōu)先選用經(jīng)實踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途且供應(yīng)渠道可靠的標(biāo)準(zhǔn)元器件；在產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)最大限度地壓縮元器件的品種、規(guī)格及其生產(chǎn)廠點；要嚴(yán)格控制新研元器件的使用。第九頁，共46頁。元器件的選擇與控制國產(chǎn)電子元器件的優(yōu)選順序按國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB）、“七?！奔夹g(shù)條件（QZJ）、電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)（SJ）執(zhí)行“七專”產(chǎn)品推薦品種保留品種適用品種國外電子元器件的優(yōu)選國外已形成了一系列的軍用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范《國外元器件質(zhì)量等級、命名標(biāo)志及選購指南》問題忽視檢測概念模糊，選擇不當(dāng)：“軍用溫度范圍”當(dāng)“軍品”要求不明，采購不當(dāng)，渠道混亂，受騙上當(dāng)返

回第十頁，共46頁。元器件的正確使用使用中存在的問題對元器件的性能掌握不夠。測試不當(dāng)或測量儀器接地不當(dāng)而燒毀電路。調(diào)機不當(dāng)，造成損傷靜電損傷值得注意措施降額使用熱設(shè)計抗輻射設(shè)計防靜電設(shè)計操作過程中的問題儲存與保管的問題第十一頁，共46頁。元器件的正確使用抗輻射設(shè)計航天器中使用的元器件：外空間的各種輻射核爆炸環(huán)境：高能中子和射線防靜電設(shè)計制造過程(人的靜電防護)儲存運輸過程操作過程中的問題安裝的機械損傷儲存與保管的問題存儲環(huán)境返回第十二頁，共46頁。電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計基本原則產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和電路應(yīng)盡量簡便。盡量選用成熟的結(jié)構(gòu)和典型的電路。結(jié)構(gòu)要簡單化、模塊化、插件化。如采用新電路，應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)化。采用新技術(shù)要充分注意繼承性。盡量采用數(shù)字電路。盡量采用集成電路。邏輯電路要進行簡化設(shè)計。對性能指標(biāo)、可靠性指標(biāo)要綜合考慮。應(yīng)盡量采用傳統(tǒng)工藝和習(xí)慣的操作方法。應(yīng)不斷采用新的可靠性設(shè)計技術(shù)。第十三頁，共46頁。降額設(shè)計降額：使元器件在低于

其額定值的應(yīng)力

條件下工作。第十四頁，共46頁。降額設(shè)計降額設(shè)計概念與目的降額設(shè)計就是使元器件或設(shè)備工作時承受的工作應(yīng)力適當(dāng)降低于元器件或設(shè)備的額定值；降低基本故障率、提高使用可靠性的目的；降額主要因素：電應(yīng)力和溫度降額設(shè)計的關(guān)鍵：降額的程度與效果；降額等級Ι級降額：最大適用于故障危及安全、導(dǎo)致任務(wù)失敗和造成重大經(jīng)濟損失的情況；Π級降額：適用于故障使任務(wù)降級和增加不合理的維修費用；Ш級降額：適用于故障對任務(wù)完成影響很小和少量的維修。第十五頁，共46頁。降額準(zhǔn)則說明第十六頁，共46頁。降額設(shè)計原則降額設(shè)計原則各類元器件均有一個最佳的降額范圍，在此范圍內(nèi)應(yīng)力變化對其故障率影響較大。過度的降額也不可取，增加元器件的數(shù)量；降額到一定程度后，可靠性的提高是很微小的；過度降額反而有害：大功率晶體管在小電流下，大大降低放大系數(shù)而且參數(shù)穩(wěn)定性降低；繼電器的線包電流不僅不能降低，反而應(yīng)在額定值之上，否則影響可靠的接觸；電應(yīng)力降額容易，對溫度降額，主要依靠熱設(shè)計；降額提高可靠性，但要綜合考慮可靠性、體積、重量和費用等問題；根據(jù)設(shè)計、可靠性等的需要進行，一般參照GJB/Z-35《元器件降額準(zhǔn)則》。返回第十七頁，共46頁。冗余設(shè)計冗余設(shè)計：用一臺或多臺相同單元（系

統(tǒng)）并行工作，當(dāng)其中一

臺發(fā)生故障時，其它單元仍能

使系統(tǒng)正常工作的設(shè)計技術(shù)。如：

并聯(lián)系統(tǒng)

儲備系統(tǒng)等返回第十八頁，共46頁。簡化電路設(shè)計例6-1設(shè)有一數(shù)字邏輯電路，將其盡可能簡化成相同功能的數(shù)字邏輯電路。原數(shù)字邏輯電路第十九頁，共46頁。簡化電路設(shè)計簡化的數(shù)字邏輯電路第二十頁，共46頁。最壞情況設(shè)計例6-2某反相器電路見圖6-7，該圖中電阻有±10%的極限誤差，三極管的參數(shù)hfe變化為20~70，EC=5V，Vbes=0.8V，

Vces=0.3V均不變。試問如何選擇驅(qū)動信號VS才能使電路可靠工作？第二十一頁，共46頁。最壞情況設(shè)計解：由于故有上式中N為保證可靠地驅(qū)動該電路的系數(shù)，一般情況取N＝2，另外實際電路的驅(qū)動電流第二十二頁，共46頁。為了可靠地驅(qū)動該電路，必須在任何情況下都要求I＞Ib。最壞情況設(shè)計的目的是要求在最壞情況下，仍能夠保證有足夠的驅(qū)動電流，即：最壞情況設(shè)計返回第二十三頁，共46頁。電路漂移設(shè)計第二十四頁，共46頁。電路漂移設(shè)計第二十五頁，共46頁。電路漂移設(shè)計第二十六頁，共46頁。電路漂移設(shè)計第二十七頁，共46頁。電路漂移設(shè)計第二十八頁，共46頁。電路漂移設(shè)計返回第二十九頁，共46頁。元器件誤差統(tǒng)計分析第三十頁，共46頁。元器件誤差統(tǒng)計分析第三十一頁，共46頁。元器件誤差統(tǒng)計分析返回用百分比表示的極限誤差為：第三十二頁，共46頁。電磁兼容性設(shè)計什么是電磁兼容性問題？電子電路、設(shè)備、系統(tǒng)在工作時由于相互干擾或受到外界的干擾使其達不到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)；設(shè)備雖然沒有直接受到干擾的影響，但不能通過國家的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，如計算機設(shè)備產(chǎn)生超過電磁發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值，或在電磁敏感度、靜電敏感度上達不到要求。

第三十三頁，共46頁。印制電路板設(shè)計各級電路連接應(yīng)盡量縮短,盡可能減少寄生耦合,高頻電路尤其要注意；高頻線路應(yīng)盡量避免平行排列導(dǎo)線以減少寄生耦合,更不能象低頻電路那樣連線扎成一束；設(shè)計各級電路應(yīng)盡量按原理圖順序排列布置,避免各級電路交叉排列；每級電路的元器件應(yīng)盡量靠近各級電路的晶體管和電子管,不應(yīng)分布得太遠(yuǎn),應(yīng)盡量使各級電路自成回路；各級均應(yīng)采用一點接地或就近接地,以防止地電流回路造成干擾,應(yīng)將大電流地線和沁電流回路的地線分開設(shè)置,以防止大電流流進公共地線產(chǎn)生較強的耦合干擾；

對于會產(chǎn)生較強電磁場的元件和對電磁場感應(yīng)較靈敏的元件,應(yīng)垂直布置、遠(yuǎn)離或加以屏蔽以防止和減小互感耦合；處于強磁場中的地線不應(yīng)構(gòu)成閉合回路,以避免出現(xiàn)地環(huán)路電流而產(chǎn)生干擾；電源供電線應(yīng)靠近（電源的）地線并平行排列以增加電源濾波效果

屏蔽機箱電源線濾波信號線濾波接地電纜設(shè)計等

電磁兼容性設(shè)計返回第三十四頁，共46頁。熱設(shè)計原因與目的電子產(chǎn)品可靠性對溫度是非常敏感，但溫度升高時，器件故障率迅速增大；如電路板變形合理溫度布局，控制溫度，提高可靠性第三十五頁，共46頁。

對電子設(shè)備進行熱設(shè)計的要求

通過熱設(shè)計在滿足性能要求下盡可能減少

儀器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量；

通過熱設(shè)計設(shè)法減少熱阻；

通過熱設(shè)計能保證設(shè)備和元器件能在較低

的溫度條件下工作，以便做到減少參數(shù)漂

移保持電性能的穩(wěn)定，從而提高可靠性。熱設(shè)計第三十六頁，共46頁。

對電子設(shè)備進行熱設(shè)計的基本方法提高元件、材料的允許工作溫度減少設(shè)備的發(fā)熱量用冷卻的方法改變環(huán)境溫度并加快散熱速度熱設(shè)計第三十七頁，共46頁。散熱傳導(dǎo)散熱方法

對流散熱方式

利用熱輻射特性方式

加裝散熱器制冷自然冷卻強迫空氣冷卻冷板式冷卻

熱設(shè)計第三十八頁，共46頁。熱設(shè)計第三十九頁，共46頁。熱設(shè)計第四十頁，共46頁。參數(shù)優(yōu)化設(shè)計—三次設(shè)計第一次設(shè)計—系統(tǒng)設(shè)計第二次設(shè)計—參數(shù)（優(yōu)化）設(shè)計采用優(yōu)化設(shè)計方法，得到優(yōu)良的參數(shù)組合，使產(chǎn)品具有較好的性能。第三次設(shè)計—容許差設(shè)計根據(jù)可靠性、精度、成本等方面的要求，確定各參數(shù)的允許變化范圍。第四十一頁，共46頁。質(zhì)量損失函數(shù)概念反映產(chǎn)品質(zhì)量、性能指標(biāo)等變化與經(jīng)濟性之間的關(guān)系由日本學(xué)者田口玄一研究質(zhì)量經(jīng)濟性時提出的質(zhì)量損失函數(shù)L(y)：若產(chǎn)品設(shè)計、出廠時未達到預(yù)定的指標(biāo)值m，就會使使用成本Q增加，實際指標(biāo)y帶來的使用成本Q（y）與達到預(yù)定指標(biāo)m帶來的使用成本Q（m）之差L(y)=Q（y）-Q（m）=第四十二頁，共46頁。質(zhì)量損失函數(shù)功能界限Δ指產(chǎn)品性能指標(biāo)偏離其中心值直到使產(chǎn)品功能完全喪失的范圍容許差δ產(chǎn)品出廠公差的1/2，是產(chǎn)品合格與否的判據(jù):m-δ<y<m+δ第四十三頁，共46頁。D-當(dāng)產(chǎn)品的性能指標(biāo)為功能界限時的質(zhì)量損失D=L(m±Δ)A-使產(chǎn)品的性能指標(biāo)達到標(biāo)稱中心值m時的質(zhì)量損失

質(zhì)量損失函數(shù)第四十四頁