可靠性工程设计指南

可靠性工程设计指南

1 目的

规定能够提高产品可靠性的设计方法，以达到产品可靠性的预期要求。

2 范围

适用于公司自主研发的各产品。

3 可靠性工程设计

3.1 元器件选择

3.1.1 基本原则

a) 设计时应根据重要程度和成本等因素对设备的关主件和安全件加以识别，并要有关主件和安全件的详细说明。

b) 尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。

c) 多采用集成电路，减少分立器件的数目。

d) 开关管选用MOSFET 能简化驱动电路，减少损耗。

e) 输出整流管尽量采用具有快恢复特性的二极管。

f) 设计时尽量少用继电器，确有必要时应选用接触良好的密封继电器。

g) 原则上少选用电位器。

h) 吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。

3.1.2 分立半导体器件

3.1.2.1 在电路设计时,对分离器件主要从电应力、工作频率、型号互换等方面考虑。

（1）电压应力:半导体器件均有其耐压的极限值,如三极管、极限值等。当所加的电压大于半导体器件的极限电压值时,将会出现瞬时击穿或永久性击穿,前者引起器件电参数的变化，后者使之突发性失效。除明显的设计和调试错误外，器件性能的分散性、连锁反应、感性负载等都是造成器件意外击穿的因素。

（2）电流应力:器件所承受的最大电流。半导体器件工作时，因其自身电阻的存在，必然产生热量，在温度和电流的综合作用下，器件内温度超过极限将导致失效。与电流应力密切相关的因素是工作温度，所以工作温度较高时,应考虑降低器件的参数等级,或者采取良好的散热措施。对于功率器件,功率、温度、散热始终是设计时必须综合考虑的因素。

（3）工作频率：由于PN 结的电容效应,半导体器件有其工作频率的限制，一般多考虑上限频率的影响，工作频率超过该极限则器件的性能将下降甚至失效。另外也不宜用高频器件代替低频器件,那样噪声系数将增大。

（4）型号互换:互换时主要考虑参数的匹配,如额定工作电压、电流、功率、工作频率范围等。

3.1.2.2 固定电阻和电位器

（1）固定电阻和电位器可按照其制造材料分类，如合金型(线绕、合金箔)、薄膜型(碳膜、金属膜)和合成型(合成实芯、合成薄膜、玻璃釉)等,随着电子技术的发展，新型品种也不断出现。（2）在使用固定电阻和电位器时,应考虑下列事项:

a) 阻值稳定性:电阻的阻值会因其材料的“老化”而变化,这是个缓变的过程。电阻值更经常地受温度的影响，因此在精密电路中,电阻的温度漂移系数是个重要指标。

b) 工作频率：当电阻工作在高频时,其工作参数受分布电容、趋肤效应、介质损耗及引线电感等因素影响而变化。

c) 功率负荷:当电阻器件承受的功率超过额定值时,将因温度升高而失效。电阻器的额定功率也是与温度关联的指标，如果工作温度高于指定的温度,则应适当降低额定指标使用。

d) 噪声：在设计微弱信号前置放大器时,电阻的噪声系数是一个值得重视的指标。

e) 在常见的电阻器件中,碳膜、金属膜和精密合金箔电阻的性能依次递增；线绕电阻温度稳定性最好,常用于精密测量仪器中。在实际电路设计时,应参考国家技术标准和生产厂家提供的资料,按照上述事项进行取舍。另外选用时还要考虑器件的体积、安装形式等因素的影响。

f) 必须注意的是,电位器无论是性能指标还是可靠性，都比同类的固定电阻要差很多，一般其失效率比固定电阻要大10～100 倍。所以,在电路中尽量少用电位器，同时对某些可能因电位器失效造成严重故障的电路应采取相应的容错措施，如开路、短路保护等。

3.1.2.3 电容器的选用

（1）电容器根据其介质材料的不同可分为无机介质、有机介质和电解介质三类，若考虑具体的材料则种类众多、性能各异，电容器的选用可从以下方面考虑。

a) 频率范围：电容器是工作在交流状态的，所以应首先考虑其频率特性。电容器由于自身电感、引线电感的影响，存在一个固有的谐振频率。为保证其容抗特性，必须使工作频率小于该谐振频率；另外，介质的频率特性也限制其应用的上限频率。没有工作高、低特性皆好的电容器，瓷、云母介质的电容器是高频段器件；有机高分子聚合物多为中频段器件；电解介质电容工作在低频段。

b) 容量稳定性：温度和制造工艺会影响电容器容量的稳定性,在频率谐振电路中,对电容值的稳定性有较高的要求。在高频段，云母介质优于瓷介质；在低频段钽介质电容器优于铝电解电容器；单就稳定性而言,聚苯乙烯电容器最好。

c) 噪声性能:电容器的漏电将产生噪声,对于低噪声电路的电容器要选用损耗角正切值小的电容器。常用的电解电容的噪声最大。

d) 电压负荷:电容器承受直流电压的能力较强，但对于交流和脉动的电压则较弱,一般随着频率的增大,所能承受的额定电压要下降。电解电容器、高分子聚合物电容器、无机介质电容器在这一指标上性能递增。

e) 承受功率：对于用于电源滤波这类场合的电容器,应该考虑其承受功率负荷的问题,当电流脉动较大时,电容器的温度也会升高,性能指标下降,最终导致被击穿失效。

（2）电容器的选用比电阻要复杂,对电路性能和可靠性的影响也更直接更大。电容器的失效形式为漂移、短路和开路等,电容器的结构比电阻器复杂,是失效率相对较高的器件。

3.1.2.4 集成芯片的选择

设计时应优先考虑使用集成芯片。集成芯片可分模拟和数字两大类，具体品种繁多,其选择应参考生产厂家提供的技术资料结合具体电路进行,总的要求是外围器件的参数选择正确、整个电路工作在额定状态和条件下。在选择集成芯片时,除器件具体功能外,还需要考虑以下具有普遍性的因素。

（1）数字器件:电源电压范围、信号状态与电平阀值、扇出系数、最高工作功率、单门延时、噪声容限、工作温度范围、功耗及封装等。速度和功耗是数字器件的两个硬指标,在很大程度上决定器件的使用范围，高速低功耗也是与计算机的发展相适应的。在通用的数字器件中,74LS 系列的TTL 器件具有较快的速度,但功耗相对较大；CMOS 器件的电源范围较宽，抗干扰性能好,但速度不如74LS 系列的快；74HC 则兼顾两者的优点,具有74LS 的高速和CMOS 的低功耗,在各项性能指标上均优于74LS 系列,可替代74LS 系列的器件。许多超大规模的集成芯片如CPU、可编程逻辑芯片等存在着不同工艺制造的同类芯片,应优先选择其中低功耗的CMOS 类型。

（2）模拟器件:要考虑单电源还是双电源供电及电压范围、功耗、输入电阻、输入信号电压幅值、输出电阻、输出功率、截止频率、增益、共模抑制比、线性度、噪声系数、温度漂移以及封装等。模拟芯片的重点是要保证其精度和稳定性,而影响精度和稳定性的因素很多,所以选择模拟集成芯片的难度比数字器件的要大。因此，在电路设计时,能够用数字器件代替模拟器件的地方就尽量选用数字器件。