电子设备可靠性设计

第2章 电子设备的可靠性设计
(3) 最大反向工作电压URM。最大反向工作电压指正 常工作时，二极管所能承受的反向电压最大值。
(4) 最高工作频率fM。最高工作频率指晶体二极管能 保持良好工作性能条件下的最高工作频率。
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4. 半导体三极管的主要技术参数 (1) 交流电流放大系数。交流电流放大系数包括共
(4) 集-射间反向击穿电压(UCEO)。集-射间反向击穿 电压指三极管基极开路时，集电极和发射极之间允许 加的最高反向电压。
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5. 集成电路的主要技术参数
1) TTL“与非门”集成电路的主要静态参数 (1) 输出高电平UOH。输出高电平UOH是指输入端有 一个(或几个)为低电平时的输出电平。UOH典型值约为 3.6 V。
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(1) 采取散热措施，限制设备工作时的温升，保证在 最高工作温度条件下，设备内的元器件所承受的温度 不超过其最高极限温度，并要求电子设备能够耐受高 低温循环时的冷热冲击。
(2) 采取各种防护措施，防止潮湿、盐雾、大气污染 等气候因素对电子设备内元器件及零部件的侵蚀和危 害，延长其工作期。
(6) 仔细分析比较同类元器件在品种、规格、型号和 制造厂商之间的差异，择优选用。要注意统计在使用 过程中元器件所表现出来的性能与可靠性方面的数据， 作为以后选用的依据。
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2.2.2 电子元器件的主要技术参数 1. 电阻器的主要技术参数 (1) 标称阻值和允许偏差。标称阻值是指电阻器上所
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2. 机械条件对电子设备的要求 机械条件是指电子设备在不同的运载工具中使用时 所受到的振动、冲击、离心加速度等机械作用。它对 设备的影响主要是：元器件损坏失效或电参数改变； 结构件断裂或变形过大；金属件的疲劳破坏等。为了 防止机械作用对设备产生的不良影响，对设备提出以 下要求：
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(3) 设备安全可靠，有保险装置。当操纵者发生误操 作时，应不会损坏设备，更不能危及人身安全。
(4) 控制机构轻便，尽可能减少操纵者的体力消耗。 指示系统清晰，便于观察，且长时间观察不易疲劳， 也不损伤视力。
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从维护方便的角度出发，对结构设计提出以下要求： (1) 在发生故障时，便于打开维修或能迅速更换备用 件。如采用插入式和折叠式结构、快速装拆结构以及 可换部件式结构等。 (2) 可调组件、测试点应布置在设备的同一面；经常 更换的元器件应布置在易于装拆的部位；对于电路单 元应尽可能采用印制板并用插座与系统连接。
生的电磁波，造成外部及内部干扰。电磁干扰的存在， 使设备输出噪声增大，工作不稳定，甚至不能安全工作。
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2.1.2 使用方面 使用和维护人员对产品可靠性的影响，包括使用和
维护的程序及设备，操作方法的正确性以及其他人为 的因素。使用可靠性很大程度上依赖于使用设备的人。 熟练而正确的操作，及时的维护和保养，都能显著地 提高使用可靠性。
发射极电流放大系数(β)和共基极电流放大系数(α)。它 是表明晶体管放大能力的重要参数。
(2) 集电极最大允许电流ICM。集电极最大允许电流 指放大器的β下降到正常值的2/3时所对应的集电极电 流值，或者说集电极电流所能达到的晶体三极管允许 的极限值。
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(3) 集电极最大允许耗散功率PCM。集电极最大允许 耗散功率是指集电极因受热而引起晶体三极管的参数 变化不超过规定允许值时，集电极所能消耗的最大功 率，或者说晶体管集电极温度升高到不致将集电结烧 毁所消耗的最大功率。
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(2) 耐压值(额定工作电压)。耐压值是指在允许的环 境温度范围内，电容器在电路中长期可靠地工作所允 许加的最大直流电压或交流电压的有效值。在选择电 容器时，电容器的耐压值应该大于实际工作承受的电 压，否则电容器中的介质会被击穿造成电容器的损坏。 常用的耐压系列值如下所示(单位：V)：
电子设备的操纵性能如何以及是否便于维护修理， 直接影响到设备的可靠性，因此在结构设计时必须全 面考虑。
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对电子设备的操纵要求，原则上可归纳为以下几点： (1) 为操纵者创造良好的工作条件。例如：设备不会 产生令人厌恶的噪声，且色彩调和给人以好感，安装 位置适当，能令操作者精神安宁、注意力集中，从而 提高工作质量。 (2) 设备操作简单，能很快地进入工作状态，不需要 很熟练的操作技术。
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表2.1 电阻器标称阻值系列
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(2) 额定功率。电阻器的额定功率是指在正常大气压 力及额定温度条件下，在电阻器的使用过程中电阻器 所能承受而不致将其烧毁的最大限度功率值。它是根 据电阻器本身的阻值以及所通过的电流和其两端所加 的电压来确定的，是选择电阻器的主要参数之一。常 用电阻器额定功率的系列值如表2.2所示。
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生产条件对产品的要求一般有以下几个方面： (1) 设备中的零部件、元器件，其品种和规格应尽可 能少，尽量使用由专业厂家生产的通用零部件或产品。 因为这样便于生产管理，有利于提高产品质量，降低 成本。
(2) 设备中的机械零部件必须具有较好的结构工艺 性，能够采用先进的工艺方法和流程。
(5) 设备最好具备监测装置和故障预报装置，能使操 纵者尽早地发现故障或测试失效元器件，及时更换维 修，以缩短维修时间，防止大故障出现。
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2.1.3 生产方面 1. 生产条件对电子设备的要求 任何电子设备在它的研制之后都要投入生产。生产
厂的设备情况、技术和工要顺利地投产，必须满足生产条件对它的要求，否则 就不可能生产优质的产品，甚至根本无法投产。
(2) 输出低电平UOL。输出低电平UOL是指在电路输出 端接有额定负载(通常规定为带八个同类型的与非门负 载)时，电路处于饱和导通状态时的输出电压。UOL一 般应小于或等于0.35 V。
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(3) 输入短路电流IIS。输入短路电流IIS是指当任何一 个输入端接地而其余输入端悬空时，流过该输入端的 电流值。IIS应小于1.5 mA，且越小越好。
(4) 输入漏电流IIH。输入漏电流IIH是指在电路中，当 任一输入端接高电平，其余输入端接地时，流过接高 电平输入端的电流。IIH应小于70 μA，且越小越好。
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2.2 电子元器件的选用
2.2.1 电子元器件的选用准则 电子元器件选用时应遵循下列原则： (1) 根据电路性能的要求和工作环境的条件选用合适
的元器件，元器件的技术条件、技术性能、质量等级 等均应满足设备工作和环境的要求，并留有足够的裕 量。
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(3) 运用价值工程观念，在保证产品性能的条件下， 按最经济的生产方法设计零部件。在满足产品技术要 求的条件下，选用最经济合理的原材料和元器件，以 求降低产品的生产成本。
(4) 全面构思，周密设计产品的结构，使产品具有良 好的操纵维修性能和使用性能，以降低设备的维修费 用和使用费用。
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表2.2 常用电阻器额定功率的系列值
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(3) 温度系数。温度系数是指温度每升高或降低1℃ 所引起的电阻值的相对变化。温度系数越小，电阻器 的稳定性就越好。
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2. 电容器的主要技术参数 (1) 标称容量和允许偏差。电容器标称容量及允许 偏差的基本含义同电阻一样，标称容量越大，电容器 贮存电荷的能力就越强。
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(3) 元器件的组装密度不宜过大，即体积填充系数在 可能的条件下应取得低一些(一般最好不超过0.3)，以 保证元器件间有足够的空间，便于装拆和维修。
(4) 设备应具有过负荷保护装置(如过电流、过电压保 护)，危险和高压处应有警告标志和自动安全保护装置 (如高压自动断路门开关)等，以确保维修安全。
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2.1 影响电子设备可靠性的主要因素
2.1.1 工作环境 电子设备所处的工作环境多种多样。气候条件、机
械作用力和电磁干扰是影响电子设备的主要因素。必 须采取适当的防护措施，将各种不良影响降低到最低 限度，以保证电子设备稳定、可靠地工作。
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1. 气候条件对电子设备的要求 气候条件主要包括温度、湿度、气压、盐雾、大气 污染、灰沙及日照等因素，对设备的影响主要表现在 使电气性能下降、温升过高、运动部位不灵活、结构 损坏，甚至不能正常工作。为了减少和防止这些不良 影响，对电子设备提出以下要求：
和生产经济性。使用经济性包括设备在使用、贮存和 运输过程中所消耗的费用。
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为了提高产品的经济性，在设计阶段就应充分考虑 以下几个方面：
(1) 研究产品与零部件技术条件，分析产品设计参数， 研讨和保证产品性能和使用条件，正确制定设计方案， 这是产品经济性的首要环节。
(2) 根据产量确定产品结构形式和产品类型。产量的 大小决定着生产批量的规模，生产批量不同，其生产 方式类型也不同，因而其生产经济性也不同。
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(1) 采取减振缓冲措施，确保设备内的电子元器件和 机械零部件在受到外界强烈振动和冲击的条件下，不 致变形和损坏。
(2) 提高电子设备的耐冲击、耐振动能力，保证电 子设备的可靠性。
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3. 电磁干扰对电子设备的要求 电子设备工作的周围空间充满了由于各种原因所产
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(3) 绝缘电阻。绝缘电阻是指电容器两极之间的电 阻，也称漏电阻。一般电容器绝缘电阻在108～1010 Ω 之间，电容量越大绝缘电阻就越小，所以不能单凭所 测绝缘电阻值的大小来衡量电容器的绝缘性能。
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3. 半导体二极管的主要技术参数 (1) 最大正向电流IF。最大正向电流是指长期运行时 晶体二极管允许通过的最大正向平均电流。 (2) 反向饱和电流Is。反向饱和电流是指二极管未击 穿时的反向电流值。反向饱和电流主要受温度影响， 该值越小，说明二极管的单向导电性越好。
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(5) 设备(含零部件)的加工精度要与技术条件要求相 适应，不允许无根据地追求高精度。在满足产品性能 指标的前提下，其精度等级应尽可能低，装配也应简 易化，尽量不搞选配和修配，力求减少装配工人的体 力消耗，便于自动流水生产。
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2. 经济性对电子设备的要求 电子设备的经济性有两方面的内容：使用经济性
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(3) 设备中的零部件、元器件及其各种技术参数、形 状、尺寸等，应最大限度地标准化和规格化；还应尽 可能采用生产厂家以前曾经生产过的零部件，充分利 用生产厂家的先进经验，使产品具有继承性。
(4) 设备所使用的原材料的品种规格越少越好，应尽 可能少用或不用贵重材料，立足于使用国产材料和来 源多、价格低的材料。
(2) 优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发 展前途的标准元器件，不选用淘汰和禁用的元器件。
(3) 应最大限度地压缩元器件的品种规格，减少生产 厂家，提高它们的复用率。
(4) 除特殊情况外，所有电子元器件应按不同的要求 经过必要的可靠性筛选后，才能用到产品中。
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(5) 优先选用有良好的技术服务、供货及时、价格合 理的生产厂家的元器件。对关键元器件要进行用户对 生产方的质量认定。
标示的名义阻值，所有标称阻值都必须符合标称阻值 系列。常用的标称阻值有E6、E12和E24系列，如表2.1 所示。实际阻值与标称阻值的相对误差称为允许偏差。 普通电阻的允许偏差有Ⅰ级(±5%)、Ⅱ级(±10%)和Ⅲ 级(±20%)，精密电阻允许偏差要求更高，如±2%、 ±1%、±0.5%～±0.001%等。