电路可靠性

T2
Tdo
Tcu
T3
混合式直流接触器动作逻辑图
约束条件：Ton<T1<Tcl、T2>Tcl; T3>Tcu
5.3.2.2 确定参数中心值及相关设计变量
接触器吸合时间Tcl分布曲线 接触器释放时间Tcu分布曲线
吸合时间Tcl的均值μcl=89.8689 ms ，标准差σcl=23.2364ms 释放时间Tcu的均值μcu=39.2687 ms ，标准差σcu=20.8973ms
V
D21
3
POWER
C5
POWER
POWER
14
14
14
5
U8A
1u 5
14
POWER U8B 4 1
U7A 3
R17
C3 0.33u
0.1u
U7B C8 4 470u
2 CD4001A
160k
6 CD4001A
7
7
7
Q5 R12 Q2N5401 82k R13 820k
GND
5k
D33 D1N4148
容差分配，是指将技术指标中规定的或通过 计算得到的输出特性的允许容差分配到各相关设 计变量中，为各变量的设计提供依据。 容差分析，是指分析各设计变量的偏差对输 出特性的影响，以此对容差分配方案进行检验。 容差设计的过程，实际上就是一个容差分析 与容差分配反复配合递推的过程，最终实现各参 数容差的最优配合。
3 电子电路可靠性容差设计
3.1 容差设计的基本原理
任何电子电路在生产和使用过程中都不可 避免地会受到各种随机扰动因素的影响,使实 际电路的元器件参数与其标称值之间总是存在 着偏差，这就是容差。 容差的来源主要有外部因素，内部因素和 生产工艺的分散性三种。外部因素主要包括： 环境温度、大气压强、外部震动、电应力、静 电、电浪涌损伤、腐蚀等；内部因素主要包括： 本身的材料缺陷、体内的劣化机理、蠕变
温度仿真分析
可靠性参数计算 产品树
FMEA/FMECA分析 测试性分析
通过故障仿真得出器件故障对电路的影响； 通过灵敏度分析找出电路中的薄弱环节； 通过容差仿真评定电路的健壮性； 给出电路设计的可靠性指标； 自动生成FMEA表格和测试性预计表格；
4.3 界面浏览
故障模式设 置
元器件类型选择
产品树
平均无故障工作 时间（MTBF）和 致命任务间的故 障时间（MTBCF） 可靠度曲线 失效概率分布曲 线 元器件基本重要 度和模式重要度
FMEA/FMECA：
该软件提 供故障模式分 析和故障模式 影响及危害性 分析，可自动 生成绝大部分 数据，人工只 需进行部分修 改即可。
5 混合式直流接触器控制电路的容差设计 5.1 控制电路基本原理
15V
10V
5V
0V V(NEXTPUT) 12V
8V
4V
SEL>> 0V 2.4s 2.6s V(OUTPUT)
2.8s
3.0s
3.2s
3.4s Time
3.6s
3.8s
4.0s
4.2s
4.4s
4.6s
仿真得到的各目标输出特性的中心值： T1=47.619ms、T2=160.61ms、T3=114.31ms
设 信息反馈 失效分析 失效产品 计 制 造 可靠性筛选 抽样 可靠性试验 现场使用
多年来世界各国开展可靠性工作的经验证 明： 产品不可靠的原因中，设计占80%。可靠 性工程的重点在设计阶段。
2 可靠性设计技术
可靠性设计是一种有约束的目标最优化问 题，是在费用、性能等约束条件下，为设计出 满足可靠性要求的产品而进行的一系列设计程 序，包括：元器件、零部件的选择与控制、降 额设计、简化设计、余度设计、耐环境设计、 热设计、容差设计和健壮设计等。
故障仿真分析
故障模式集 合
仿真任务集
故障判据设置
参数灵敏度分析
寻找对电路影响最显著的元器件参数 一 阶 导 数 灵 敏 度 法
参数灵敏度分析
寻找对电路影响最显著的元器件参数 正 交 试 验 灵 敏 度 分 析 法
模拟电路容差分析
分 析 结 果
仿真设置
数字电路容差分析
分析结果
仿真设置
可靠性参数预计和分析：
7.健壮设计是使系统性能对制造期间和使 用环境的变异均不敏感；并使系统在其寿命周 期内,元器件、组件的性能参数不发生漂移或老 化，都能持续满意地工作。 健壮设计的实质是将系统设计、参数设计、 容差设计与FMECA（影响与危害性分析）、 FTA（故障树分析）、质量控制、统计过程控制 等方法结合起来配套使用的设计方法。
电源转换模块 (110V-24V)
R7 47k
R5 2.53k
R9 22k
吸合脉冲 触发模块
释放脉冲触 发模块
0
U6 LM7812C IN
GND
INPUT1
OUT
2
NEXTPUT D18 D1N4007 D19 D1N4007 D20 D1N4007 R16 D1N4007 820k C4 C2 1u 1 3 2 6 CD4001B R10 820k Q4 Q2N5401 R11 300k CD4001B D22 D1N4007 R14 820k R15 820k Q2N5551 Q6 C7 1u R18 D32 OUTPUT D1N4148
4. 环境设计是分析研究环境条件对产品可 靠性的影响，以便研究和采取有效措施，按规 定环境条件设计产品。 5.热设计就是利用热传导、对流、辐射等 原理进行合理的热设计，提高产品的可靠性。
6.简化设计是在保证产品功能和保证元器 件、零部件不超过应力的情况下，简化设计技 术，提高产品的可靠性。 7.容差设计是指在电子电路的参数中心值 一定的条件下，设计分配各参数的容差范围， 使系统的输出响应偏差最小的设计技术。
3.2 容差分析方法
容差分析的方法通常包括蒙特-卡罗分析 法、区间分析法、 仿射分析法和最坏情况分 析法等。 蒙特-卡罗分析是当电路组成部分的参数 服从某种分布时，由电路组成部分参数抽样值 来分析电路性能参数偏差的一种统计分析方法。 其基本思想是当所求解的问题为某个时间出现 的概率时，可以通过抽样试验的方法得到这种 事件出现的概率，把它作为问题的解。这种方 法的分析结果与实际情况最为接近。
等；生产工艺的分散性：由于制造工艺的原因， 元器件参数的实际中心值通常存在着公差，而 这种公差在一批元器件中是呈分布特性的。 电子电路的容差设计，是指在组成电子电 路的各设计变量参数中心值一定的条件下，设 计分配各参数的容差范围，使电子电路的输出 响应偏差最小的设计技术。 在具体分析设计过程中，电子电路容差设 计包括容差分析和容差分配两个方面。
Tdo
Tcu T3
电平检测模块
吸合脉冲触发模块
接触器线圈
接触器动作 电力电子器件 动作
Ton
T1
Tcl T2
Tdo
Tcu
T3
吸合脉冲触发模块
释放脉冲触发模块
接触器线圈
接触器动作 电力电子器源自文库 动作
Ton
T1
Tcl T2
Tdo
Tcu
T3
释放脉冲触发模块
5.3 控制电路的容差设计
5.3.1 选择EDA仿真软件 选择PSpice软件进行控制电路的容差设计。
脉冲触发电路原理图
5.3.2 容差设计步骤
5.3.2.1 确定可靠性指标和约束条件 可靠性指标： 接触器无弧动作 工作环境：-40℃～80℃ 电网电压波动：70V～130V 接触器寿命；100万次 可靠度要求:0.9980
接触器线圈
接触器动作 电力电子器件 动作
Ton
T1
Tcl
1.元器件、零部件的选择与控制需要综合 考虑产品的任务，以及元器件的生产、维修、 供应及标准化等各种因素。 2.降额设计是使元器件或设备工作时承受 的工作应力适当低于元器件或设备规定的额定 值，从而达到降低故障率，提高使用可靠性的 目的。 3.余度设计就是用一套以上的设备来完成 规定任务的设计，特别是当基础元器件、零 部件质量与可靠性水平较低，采用一般设计 已经无法满足设备的可靠性要求时，余度设 计就具有重要的应用价值。
T1
Tcl
T2
Tdo
Tcu
T3
混合式直流接触器动作逻辑图
接触器线圈上电、掉电时间： Ton、Tdo 接触器吸合与释放时间： Tcl、Tcu 控制电路控制电子开关导通时间：T1、T2、T3
5.2 控制电路组成
电源转换模块 (110V-24V)
接触器线圈
接触器动作 电力电子器件 动作
Ton
T1
Tcl T2
5.3.2.4 容差分析与分配
5.3.2.3 控制电路的仿真
D26 D1N4148 D29 D1N4148
R3 R1 100 V1 = 0 V2 = 110V TD = 0 TR = 1ms TF = 1ms PW = 1s PER = 3s V1 Q2 D27 D1N4148 R8 Q2N5551 33k R4 130k D28 INPUT D13 D1N4148 D1N4470 GND R6 510k R2 4k Q3 Q2N5401 C1 10u 110k
参数容差分配，仿真得 到不同容差分配时，输 出特性的容差分布 是否有 符合要求的容差分配 方案 是 选择最优的容差分 配方案 否
进行容差配合，计算不 同输出特性的可靠度
4 电子电路可靠性仿真软件
由于技术体系差异等实际问题，造成当前 电子产品设计过程中，性能设计与可靠性设计 不能有效结合，使得产品研制费用和研制周期 增加。 该软件为电路设计人员开展电路性能与可 靠性同步设计与分析，提供了有效的手段和工 具，能够在电路性能设计的同时，综合分析故 障、元器件参数波动等因素对系统可靠性的影 响，有效提高可靠性分析工作效率，减少人员 工作量。
4.1 结构框图
电路性能设计 原理图设计 可靠性设计
控制接口
可靠性预计
电路性能分析
优化设计 PCB设计 时序检验 … … 数据接口 EDA 工具 TG-CFRSP 工具
FMEA
容差分析 温度分析 测试性预计 … …
4.2 主要功能
性能仿真分析 故障仿真分析 参数灵敏度 仿真分析 容差仿真分析 软件工具 电路管理 电路功能树 电路图信息 电路判据 电路元件信息 电路结构
混合式直流接触器是依 据铁路机车上CZO-40 型接触器的使用环境， 采用电力电子器件，由 逻辑控制电路控制，使 机械触头通断瞬间，由 电子开关承担负荷；稳 态时由机械触头承担负 荷，从而实现无弧通断。 CZO-40型接触器
控制电路
混合式直流接触器框图
接触器线圈
接触器动作 电力电子器件 动作
Ton
电子电路可靠性设计
王淑娟 2007.6.27
主要内容
1 2 3 4 5 可靠性基本概念 可靠性设计技术 电子电路可靠性容差设计 电子电路可靠性仿真软件 混合式直流接触器控制电路容差 设计
1 可靠性基本概念
产品的可靠性是指产品在规定的条件下和 规定的时间内，完成规定功能的能力。 可靠性工程是为了达到产品可靠性要求而 进行的有关设计、试验和生产等一系列工作的 总和。
R1 Ui
R2 Uo
U
R2 o R12 R2
Ui
R1改变时，输出Uo发生变化。在实际产 品中，输出变量的值是允许在一定范围内波 动的，比如Uo ∈（45-55V）；而元器件的价 格是与精度成正比的。容差设计就是要合理 设计相关元器件的容差，使输出变量的波动 在允许范围内，并且成本最低或满足其他条 件。
接触器吸合时间Tcl分布曲线 接触器释放时间Tcu分布曲线 根据Tcl和Tcu的分布规律(实测），可以确定控制电路出 特性的中心值T1=45ms、T2=160ms、T3=110ms
吸合脉冲触发模块
与参数T1和T2相关的设计变量是吸合脉冲触发模 块中的R2、C4和R3、C3。
释放脉冲触发模块 与参数T3相关的设计变量是释放脉冲触发模块中的 R5和C8 。
控制电路的PSpice仿真原理图
7
15V
10V
5V
0V V(NEXTPUT) 12V
8V
4V
SEL>> 0V 2.4s 2.6s V(OUTPUT)
2.8s
3.0s
3.2s
3.4s Time
3.6s
3.8s
4.0s
4.2s
4.4s
4.6s
控制电路输出波形图
仿真得到的各目标输出特性的中心值： T1=47.619ms、T2=160.61ms、T3=114.31ms 理想中心值：T1=45ms、T2=160ms、T3=110ms
1000个元器件
正态分布P（X）
确定参数中心值 的分布特性
参数中心值
分布P（X）
分析输出特性 的中心值 及分布特性
随机选取 100个参数 中心值
输出特性中心值
3.3 容差设计的基本流程
系统结构及参数优化设 计，确定参数中心值 给出可靠度及相关技术 指标 选择合适的EDA软 件
利用EDA软件进行仿 真，进行灵敏度分析