电子电器产品可靠性设计与预估

0.95
0.97 0.99
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0.35849
0.54379 0.81791
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5、可靠度数学模式（续）
并联模式
R1
R2
数学模式为：
R system R1 R 2 R1 R 2
R s 1 (1 R1 )( 1 R 2 )
依上述公式，可直接应用至n个分系统组成之并联系统，其系统 n 可靠度为：


在如今激烈竞争的电子产品市场中，用户对产品品质和 可靠性的要求越来越高。日本的家用电器等产品，虽然 在性能、价格方面与我国彼此相仿，却能占领美国以及 国际市场。主要的原因就是日本的产品可靠性胜过我国 一筹 。 而可靠性设计需要贯穿于整个设计的全部过程，而不是 仅仅对最终产品的验证。
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电子电器产品可靠度设计及预估
课程内容
第一部分：可靠度设计实务 第二部分：可靠度预估
2012-基本概念 3、可靠度分类 4、产品的寿命曲线 5、可靠度数学模式（指数分布） 6、可靠度设计技术
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1、前言
为什么要做可靠性计算和预测？
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2、可靠度预估技术种类（续）
零件计数法


当产品研发进入硬体初步设计时，虽然设计尚未完全定 性，但是大致上所需要使用的零件种类，数量，品质水 准，以及产品的使用环境都已经初步确定，因此可以由 上面这四种资料，配合零件基本失效率资料，即可应用 零件计数法预估产品可靠度。 零件计数法的基本假设，是把产品内所有零件采取串联 模式加以模组化，再把所有经品质因子及使用环境因子 修正过的零件失效率累加就可以初步的估计产品失效率。
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6、可靠度设计技术（续）
电子零件选用一般原则
决定完成特定功能及预期操作环境所需的零件型式 决定零件之重要性，如寿限问题，成本，采购时间长短 决定零件的妥善性，是否由合格厂商提供，交货是否正常， 是否有可靠度保证等 估计零件在电路应用上的预期应力值 必要时准备正确，完整的零件采购规范，以排除初期的早夭 失效现象 使用适用的预估方法进行失效率预估，如选用MIL-HDBK-217 或 Telcordia SR-332
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2、可靠度预估技术种类（续）
类似复杂法



一般而言，产品的可靠度与其复杂性有关，越复杂的产 品越不容易达到高可靠度的需求，特别是电子产品，由 于其使用的零件越多，发生失效的几率就越高，因此可 靠度就越低。 一般大公司会根据他们过去的经验，发展出一套可靠度 与产品复杂性（功能复杂性，零件多少）的图表资料， 所考虑的条件还包括使用环境以及低级、一般、高级三 种品质等级的零件。 所以只要新产品中预定使用元件的数量，使用环境和品 质等级，就可以根据图表粗估该产品的可靠度水准。
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1、前言（续）
什么时候使用可靠性预测工具？
可靠性预测工具是评估产品是否可靠的基础手段，可靠 性预测工具为整个产品开发过程提供指导，事实上，业 界已经将可靠度预测工具形象的改名为可靠性管理工具， 因为他在整个开发过程中监视着产品的质量情况，具体 表现在一下几点：



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6、可靠度设计技术
失效模式及效应分析（FMEA） 减额定程序（Derating Process） 耐热设计 复连设计（Redundant） 耐环境设计 电子零件选用一般原则
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6、可靠度设计技术（续）
失效模式及效应分析（FMEA）
FMEA手法，系使用表单耐解析，当构成系统之最下
层之零件或机器发生故障时，上层之子系统或系统 会受到何种影响的手法。借此手法可以解析出系统 的可靠性，维护性，安全性等所受的影响，并且指 出可能导致重大故障之零件。 指出问题点，可透过冒险有限数评估（RPN），将 重要性相对地加以量化，造出实施对策的优先顺位。

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6、可靠度设计技术（续）
耐热设计
执行电子装备的热分析之前，必须先掌握有哪些影响条款，这些条 款如下： 热分析的重要参数为耗散功率，热阻，温度。 热耗散的多寡控制着零件的温度上升及操作温度。 任何零件传递热皆有三种方式：传导，对流，辐射，这三种 方式为并联式热阻。 热设计必须和电子，机械同步设计。 电子装备冷却系统的热分析必须在设计阶段中早期执行，并 且结合电子应力分析（此时设计仍为纸上作业） 热分析考虑因子包括：零件的大小，重量，热耗散，经济成 本，温度限制，电路的型态，热环境，热集中及外界的环境 温度。
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6、可靠度设计技术（续）
复连设计（Redundant） 复连设计方法是指把若干功能相同的单元或元件作为 备用，以提高整个产品或系统可靠度的设计方法。
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6、可靠度设计技术（续）
耐环境设计


耐环境设计是指考虑各种环境条件的设计，包括耐 机械应力（如冲击，振动等）设计，抗气候条件 （如高低温，潮湿，盐雾等）设计及抗辐射设计。 进行耐环境设计时，应考虑的问题是预计产品在实 际使用时所处的环境条件以及在设计上应采取的耐 环境措施。
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2、可靠度的基本概念
可靠度的基本定义：
产品在既定的时间内，在既定的使用条件下，执行既定
的功能，成功完成任务的概率。 所以可靠度基本上由时间、使用条件、功能、成功 几率四项因素组成。
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3、可靠度分类
产品在顾客手中显示出的可靠度是对顾客最有意义的可靠 度，产品在顾客实际使用时显示出的可靠度称为操作可靠 度（Operational Reliability）。
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1、前言（续）
什么是MTBF值及其表示方法？
MTBF值是可靠性指标的最通用表示方法。它是英文 （Mean Time Between Failure）的缩写，有人把它译 成中文“平均故障间隔时间”。MTBF值越高，表明产品 可靠性越好，一般在行业里用“多少个小时”来表示 MTBF。 MTBF值和电子系统中每个元器件的失效率FR(Failure Rate)有关，它们之间的关系是：

MTBF=1 / (所有元器件失效率之和)
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1、前言（续）
在工程上，也经常用R(t)来表示可靠性， R(t)表示一个电 子产品在规定时间t内不出现故障的概率： R(t)＝exp(-t / MTBF)

范例： 一个产品期望工作5年，即43800小时，如果通过计算其MTBF 值是250000小时，那么 R(t)＝exp(-43800/250000)=83.9% 即该产品在5年内不出现故障的概率是83.9％，或者说，这种 设备在安装运行5年时会有83.9％的设备依然能正常工作。
Rs 1

i 1
(1 R i )
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5、可靠度数学模式（续）
并联模式
范例： 若组件的可靠度为R，则n个组件并联时，其系统可靠度为： Rs=1-(1-R)n，以下表来讨论。 n 1 2 0.6 0.60000 0.84000 0.7 0.70000 0.91000
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6、可靠度设计技术（续）
降额程序（Derating Process）
在操作环境固定的状况下，故意减轻零件承受的应力水 准，使零件的失效率随应力减少而下降的设计程序，称 为降额。 降额定值的定义是以最大工作应力与额定强度的比值表 示。 以电子零件的降额参数而言，电阻为功率，电容为电压， 半导体为消耗功率，电晶体则为接面温度。
s 1 2 3 n
MTBF
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1
s
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5、可靠度数学模式（续）
串联模式
范例： 20个相同零件的串联系统，其单个零件的可靠度为R，若R＝ 0.95，则系统的可靠度RS＝0.3585，若R＝0.9，RS＝0.121。我们 可做成下表讨论
R 0.85 0.90 RS 0.03876 0.12158
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5、可靠度数学模式（指数分布）
系统可靠度：系统是由数个组件构成因此知道组件的可靠 度的话自然可算出系统的可靠度。反之决定系统之可靠度 后，就可将之分配到各个组件上（Sub system）
可靠度数学模式建立分为两种：一为硬体层次， 另一为任务功能。 硬体层次模式，即为可靠度设计中的串联模式 任务功能模式，即在系统的可靠度设计中加入并联模 式或复联模式。
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0.93600
0.99990 0.99996
0.97300
0.99999 1.00000
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5、可靠度数学模式（续）
串联模式与并联模式的比较

如果串联模式的组件数增加，该系统可靠度以递增比率方式 下降，最后会因可靠度太低而无法操作。反之，当并联模式 的组件个数增加时，其效果与串联模式正好相反，该系统可 靠度以递降比率方式上升。 提升系统可靠度，至少有下列四种方式： 1、减少零件个数 2、简化系统结构 3、提升所用零件可靠度 4、将零件经由 “Burn-In” 程序
理论概念设计阶段 设计对比 潜伏期定位 决定价值 品质管理
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2、可靠度预估技术种类
类似装备法 类似复杂法 零件计数法 应力分析法
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2、可靠度预估技术种类（续）
类似装备法

当产品在概念设计做可行性分析时，尚未完成任何有关 系统特性的规划与设计，因此对于其可靠度是否能满足 需求，只能从以前类似产品可靠度经验与资料，比较两 者异同加以分析推算，估计新产品的可靠度，一般称为 类似装备法（Similar Equipment Technique） 。