电子设备可靠性

电子设备可靠性设计

电子设备可靠性设计

摘要：可靠性是决定产品效能的一项关键特征，它是产品避免失效的能力。对产

品而言，可靠性越高就越好。可靠性高的产品，可以长时间正常工作（这正是所有消费者需要得到的）；从专业术语上来说，就是产品的可靠性越高，产品可以无故障工作的时间就越长。简单的说，狭义的“可靠性”是产品在使用期间没有发生故障的性质。从广义上讲，“可靠性”是指使用者对产品的满意程度或对企业的信赖程度。而这种满意程度或信赖程度是从主观上来判定的。在满足设备各项技术指标的前提下,设计者要保证设备的可靠性。

引言：随着科学技术的发展，对产品的要求不断提高，不仅要具有好的性能，更

要具有高的可靠性水平。采用可靠性设计弥补了常规设计的不足，使得设计方案更加贴近生产实际。可靠性工程的诞生已近半个世纪的历史,以电子产品可靠性设计为先导的可靠性工程迄今发展得比较成熟,已形成一门独立的学科。在市场竞争日益激烈的今天，可靠性高的产品，不仅可为客户节省开支，巩固客户的信誉和品牌知名度，而且有助于提高客户的市场竞争力。产品是否可靠，已成为企业生存和持续发展的最重要因素。国际国内为此都制订了相应的标准：根据产品在使用过程中，可能遇到的不同使用环境（如：室外、随身携带、船上等等），并受到不同环境的应力（如：风吹雨湿、振动与跌落、盐雾蚀侵等等），进行模拟测试项目，确认产品的工作性能和适应力。企业必须在产品开发过程中实施一些措施，以保证产品的可靠性。这些措施会通过零件（材料）选择、产品设计、制造、装配、运输、卸载、运行、维护和维修等过程影响产品的可靠性。

根据国际电工委员会的定义,可靠性指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。

从使用者的角度考虑问题，评论一个电子设备的质量无非是两个方面。一是设备是否达到说明书上标明的技术指标，即是否完全具备说明书上的功能；二是设备在使用中是否可靠、耐久。从电子设备设计者的角度去理解，在完成了“规定功能”设计后就必须考虑怎样“在规定的时间内和规定条件下完成规定功能的能力”，也就是说要考虑可靠性问题了。否则，一个电子设备的功能再多、技术再先进，如果经常出故障或寿命短暂。那么这个设备必将是没有生命力的。

可靠性的主要指标如下：1、可靠度，指设备在规定的时间内和规定条件下,完成规定功能的概率。2、故障率，指设备在规定的时间内和规定条件下,失去规定功能的概率。3、失效率，指设备工作一般时间后,失效的设备数与正常工作的设备数的百分比。4、平均寿命，指设备发生故障前的平均工作时间。5、平均修复率，指设备平均一次故障所需的修复时间,反映了设备的可修度。

可靠性设计的基本原则，从设计者的角度讲是指在满足设备各项技术指标的前提下,还要保证设备的可靠性。因此,设计时要遵循以下基本原则:1、尽可能简化电路。电路越简单、所用元器件越少,系统的故障率也就越低,系统可靠性就越高。2、应尽可能采用已经成熟的标准单元电路,因为经过实际考验的电路,一般来说是可靠的。3、尽可能采用集成度高的集成电路,而避免用分立元件,因为集成度高的集成电路可使电路的一致性、可靠性大大提高。4、尽可能用数字电路代替模拟电路,因为数字电路在抗干扰等方面的性能比模拟电路要好。5、尽可能

用软件功能替代硬件功能,因为硬件越少,故障率也就越低。

目前各类电子设备应用电子器材,仍然以印制电路板为主要装配方式。实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响,因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法。

在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:1、正确选择单点接地与多点接地在低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时,接地阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1MHz～10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的l/20,否则应采用多点接地法。2、将数字电路与模拟电路分开电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。3、尽量加粗接地线如果接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声能变坏。因此应将接地线尽量加粗,使它通过的电流相当于印制电路板允许电流的三倍。4、将接地线构成闭环路设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时,将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于:印制电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地线上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地线构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

电磁兼容性设计电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰,使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作,同时又能减少电子设备本身对其他电子设备的抗噪声能力。1、选择合适的导线宽度由于瞬变电流在印刷线条上所产生的冲击干扰主要是由印刷导线的电感成分造成的,因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比,与其宽度成反比,因而短粗的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流,印制导线要尽量短。对于分立元件电路,印制导线宽度在1.5mm左右时,即可完全满足要求;对于集成电路,印制导线宽度可在0.2mm～1.0mm之间。2、采用正确的布线策略采用平行走线可以减少导线电感,但导线之间的互感和分布电容增加,如果布局允许,最好采用井字形网状布线结构,具体做法是印制板的一面横向布线,另一面纵向布线,然后在相交处用金属孔连接。为了抑制印制板导线之间的串扰,在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线,尽可能拉开导线之间的距离,信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线,可以有效地抑制串扰。3、抑制反射干扰为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰,除了特殊需要之外,应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。必要时可加终端匹配,即在传输线的末端对地和电源端各接一个相同阻值的匹配电阻。根据经验,对一般速度较快的TTL电路,其印制线长于10cm以上时就应采用终端匹配措施。匹配电阻的阻值应根据集成电路的输出驱动电流及吸收电流的最大值来决定。

去耦电容在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声。如在数字电路中,当电路从一个状态转换到另一个状态时,就会电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声,是印制电路板