硬件系统可靠性设计规范

硬件系统可靠性设计规范

一、概论

可靠性的定义：产品或系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力

可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。设备可靠性设计规范的一个核心思想是监控过程，而不是监控结果。

二、可靠性设计方法

1、元器件：构成系统的基本部件，作为设计与使用者，主要是保证所选用的元器件的质量或可靠性指标满足设计的要求

2、降额设计：使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值，从而达到降低基本故障率，保证系统可靠性的目的。幅度的大小可分为一、二、三级降额，一级降额（(实际承受应力)/(器件额定应力) < 50%的降额），建议使用二级降额设计方法，一级降额<70%

3、冗余设计：也称为容错技术或故障掩盖技术，它是通过增加完成同一功能的并联或备用单元（包括硬件单元或软件单元）数目来提高系统可靠性的一种设计方法，实现方法主要包括：硬件冗余；软件冗余；信息冗余；时间冗余等

4、电磁兼容设计：系统在电磁环境中运行的适应性，即在电磁环境下能保持完成规定功能的能力。电磁兼容性设计的目的是使系统既不受外部电磁干扰的影响，也不对其它电子设备产生电磁干扰。硬件措施主要有滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、接地技术等；软件措施主要有数字滤波、软件冗余、程序运行监视及故障自动恢复技术等

5、故障自动检测及诊断

6、软件可靠性设计：为了提高软件的可靠性，应尽量将软件规范化、标准化、模块化

7、失效保险技术

8、热设计

9、EMC设计：电磁兼容（EMC）包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两个方面

三、可靠性设计准则

1、在确定设备整体方案时，除了考虑技术性、经济性、体积、重量、耗电等外，可靠性是首先要考虑的重要因素。在满足体积、重量及耗电等于数条件下，必须确立以可靠性、技术先进性及经济性为准则的最佳构成整体方案。

2、对己投入使用的相同（或相似）的产品，考察其现场可靠性指标，维修性指标及对这两种备标的影响因素，以确定提高当前研制产可靠性的有效措施。

3、在满足技术性要求的情况下，尽量简化方案及电路设计和结构设计，减少整机元器件数量及机械结构零件

4、尽量实施系列化设计。在原有的成熟产品上逐步扩展，抅成系列，在一个型号上不能采用过多的新技术。采用新技术要考虑继承性。

5、尽量实施统一化设计。凡有可能均应用通用零件，保证全部相同的可移动模块、组件和零件都能互换。

6、尽量不用不成熟的新技术。如必须使用时应对其可行性及可靠性进行充分论证，并进行各种严格试验。

7、尽量减少元器件规格品种，增加元器件的复用率，使元器件品种规格与数量比减少到最小程度。

8、在设备设计上，应尽量采用数字电路取代线性电路，因为数字电路具有标准化程度高、稳定性好、漂移小、通用性强及接口参数易匹配等优点。

9、为了尽量降低对电源的要求和内部温升，应尽量降低电压和电流。这样可把功率损降低到最低限度，避免高功耗电路，但不应牺牲稳定性或技术性能。10、注意分析电路在暂态过程中引起的瞬时过载，加强暂态保护电路设计，防止元器件的瞬时过载造成的失效。

11、在设计电路及结构设计时和选用元器件时，应尽量降低环境影响的灵敏性，以保证在最坏环境下的可靠性。

12、尽量压缩设备工作频率带宽，以抑制干扰的输入。

13、在设备中，尽量控制脉冲波形前沿上升速度和宽阔，以减少干扰的高频分量，（在满足电气性能的情况下）。

14、在设备电路中设置各种滤波器以减少各种干扰。

15、必须记住，最有效的电磁干扰控制技术，应在设计部件和系统的最初阶段加以采用。

16、集成电路对结温和输出负载进行降额应用。

17、为了保证设备的稳定性，电路设计时，要有一定功率裕量，通常应有20-30%的裕量，重要地方可用50-100%的裕量，要求稳定性、可靠性越高的地方，裕量越大。

18、在设计电路时，应对那些随温度变化其参数也初之变化的元器件进行温度补偿，以使电路稳定。

19、连接线布线设计要注意强弱信号隔离，输入线与输出线隔离。

20、尽量缩短各种引线（尤其高频电路），以减少引线电感和感应干扰。

21、直流电源线应用屏蔽线；交流电源线应用扭绞线。

22、应尽量使用负逻辑接收电路及使用高阻抗电路。如CMOS、HTL数字电路、差动输入运算放大器。尽量采用数字电路。