基于电子设备的可靠性设计技术分析
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基 于 电 子设 备 ｌ ｉ 『 与 可 靠 牲设 计 技 术分 析
北京航 空工程技术研 究 中心 张 割 马乔兵
‘ 摘要 】文 中基于 电子设备 的可 靠性设计技术 ，主要分析 了Ｐ ２ － Ｆ内客 ：电子设备可 靠性预计、 电子元器件 的选择 与控制、 电子元器件的降顿设计 、电子元器件 的热设计、 电子元器件 的冗余设计 以及 电子元器件 的潜 电路分析等方面 的内客。 【 关键词 ｌ电子设备 ；可 靠性 ；降顿设计 ；热设计 ；潜 电路
改进 。
如果 要找 出潜 电路 ，首先要将存在 于 电路 中的所有通路罗列 出来 。为 了简化这 项工作 ，可将无关 紧要 的路径 略去，但连 通 电源与接地总线通路是不 能略去的。由 于这项工作量非常大 ，通 常是需要用 到计 算机 ，因此 ，可基 于这 一点形成网络树。 该 网络树 必须将各 电源 放置在 各个网络树 的最上端 ，大地 是底 部，同时，根据 电流 由上往 下的规 则对 电 路进 行排 列。通 过网 络树可对存在的潜电路进行确定。 在 分析潜 电路过程 中，环境变化通 常 被认为是 没有影 响的，部分硬件 故障所引 起 的潜 电路也无 需识别。此 过程 中的元件 自身的可靠 性并不重要 ，重要的是系统各 个元件之 间的关系与影响。而此过程 中， 采用 系统级与功能级图并没有详细的生产 图与 安装 图的效果好 。 ３ ． 小结 较为关键的环节。不能忽视的一点是，采 在可靠性设计中。首要问题是精选元 用部分冗余技术需要加强对故障的检测， 器件，使之满足长期稳定运行精度的要 以及增设其通道 切换装置 ，只有 当其失效 求。元器件的可靠性包括元器件的失效特 率 比受控部分 小的多的时候 ，冗余技术 的 性 、失效机理，抗 干扰性能 ，文 中的分析 优势才能得到体现 。 显然 对该领域有借鉴价值 。 冗 余设计 的主要任 务 ：冗余等级 、类
１ ． 引言 要 使 电子设备 具有 预期 的可靠性 ，就 必须使所 有的相关人员 了解可靠性知 识， 有意识地 共同做好可靠性工作 。本文 基于 这一方 向，进 行 了电子设备 的可靠性 设计 技术分析 。 ２ ． 电子设备 的可靠性 设计技术 ２ ． １电子设备可靠性 预计 电子元器件寿命服 从指数分布是 其设 备 的 一个 最 大特 点，也 就 是故 障率 是 常 数 。因此 ，它 的可 靠性 指 标可 以通 过 公 式进 行预 测 。构成 电子设备 的元器件 都具 备 较 高 的标 准化 ，包括 ：电 阻、 电容 、 －／ 三极管 以及集 成 电路 等 ，而 目前 已经 积累 了很 多标准元器件方面 的试验 与统计 数据 ，现 有的预计标准与手册是 比较 成熟 的。国家军用标 准Ｇ Ｊ Ｂ ／ Ｚ ２ ９ ９ Ａ － ９ １《 电子 设备可靠 性预计手册》适用于 国产 电子元 器件 的预 计，而美 国军标Ｍ Ｉ Ｌ － Ｈ Ｄ Ｂ Ｋ － ２ １ ７ Ｅ 《 电子设备可靠性预计 》则适用 于进 口电 子元器件 的预计 。 ２ ． ２ 电子元器件的选 择与控制 要是系统 的可靠 性得到保障 ，元 器件 规格种类 与保障费用减少 ，最有 效的一个 措施就是对 电子元器件 的选择与控制 。 企业在选择与控制 电子设备元器 件时 应根据可靠性要求采取相应的措施，通常 需要注 意的是 ： （ １ ） 建立元器件采用 的控制机制 ； （ ２ ） 针对 元器件控制制定相应 的方案 ， 控制所有元器件的使用，编制元器件选择 清单； （ ３ ） 在 选用 转承 制方 的元器件 时要 进 行相应 的控制 ； （ ４ ） 必要时 进行相 应 的应力 筛选 。筛 选方法参 考本文第 六节。 ２ ． ３ 电子元器件的降额设计 降额设计 的 目的是使 电子元 器件的工 作应 力 比所规定 的额定值低 ，以使基本故 障率 降低 ，从而保证系 统的可靠性 。电应 力 与 温度 应 力对 其 故 障率 的影 响 较为 明 显 ，所以 ，在 电子产 品的可 靠性设计 中， 使用最 多的一个方 法就 是降额 设计 。 所有的电子元器件都有最适宜的降额 范围 。这个时候 ，它的失效率 由于工作应 力的变化而受到 的影 响是最大的 ，也便于 设计，同时，设备的重量与体积 以及成本 等都 相对较 小。 在电子元器件最适宜的降额范围内， 其 降额等级可分为 Ｉ 级 、 Ⅱ级、Ⅲ级 ，降 额 等 级 中最 大 的是 Ｉ 级 降 额 ，其 次是 Ｉ Ｉ 级，最小的是Ⅲ级。如果所发生的故障会 对整个系统的安全造成威胁并会导致严重
的后果 ，则要采用 Ｉ 级 降额 ；而所 需成本 与可靠性增 长效果最大就是Ⅲ 级降额 。 ２ ． ４ 电子元器件 的热设计 热设计 的基 本任务是 ：在满 足性能要 求的基础上使设备 内部尽 量少产生热量与 热阻，选择恰当的冷却方式。 热设计 的基本步骤： （ １ ） 第一 步要 明确设 备的损 耗 、发 热 量 、设 备规 格 与所 处环 境 等 多个 设计 条 件； （ ２ ） 确定 设备 的冷 却方式 ，并对 满足 原始条件与否进 行检查； （ ３ ） 对相 关构件 进行 热设计 ，如 ：元 件、线路、印制 电路板 以及机箱； （ ４ ） 检查 要遵 照热设 计检查 表 ，对 于 是否满足设计要求进 行确定。 ２ ． ５ 电子元器件 的冗余设计 冗余指 的是系统 中有一种 以上的手段 来执行 同类指 定功能的能力 。进行冗余设 置有助于系 统可靠性的提高 ，但系统却 同 时会变得更加 的复杂 性，重量与体积也会 更大 。有一种观 点是：当采取 了相应 的方 法之后 ，如 简化 设计 、降额设计等 ，还是 满 足不 了系统 的可 靠 性要 求 ，再 选择 冗 余 。另一种观 点是：当预算与进度都不是 很宽裕 的时候 ，可选 择较为成熟的冗余技 术 ，这样可 以更 好的提高系统 的可靠性 。 所 以，要根据具 体的场合来决定是 否使用 冗余 。 并不 是任何场合都适 合采 用冗余 的， 通常使用效 果比较好的是在层次较低 以及
阻抗 的选择 ；恰 当的布置仪器与 电路 。在 设计 电磁兼容 中的许 多环节 需要采取相应 的措施 ，如 ：接地 、屏蔽 、滤波 、仪器 电 路与结构设计 以及 防静 电等 。电磁兼容性 的测试与验证也是最后一个必不可少 的环
节。
２ ． ７ 电子元器件的潜电路分析 我们所说的潜 电路就是在一定的条件 下 ，电路 中产生并非我们所期望 的通路 。 它对系统 的正常功 能有抑制 作用 。对潜 电 路进行分析是为 了找 出影 响正常功能的潜 电路 ，以帮助我们对现 有设计进 行相 应的
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基 于 电 子设 备 ｌ ｉ 『 与 可 靠 牲设 计 技 术分 析
北京航 空工程技术研 究 中心 张 割 马乔兵
‘ 摘要 】文 中基于 电子设备 的可 靠性设计技术 ，主要分析 了Ｐ ２ － Ｆ内客 ：电子设备可 靠性预计、 电子元器件 的选择 与控制、 电子元器件的降顿设计 、电子元器件 的热设计、 电子元器件 的冗余设计 以及 电子元器件 的潜 电路分析等方面 的内客。 【 关键词 ｌ电子设备 ；可 靠性 ；降顿设计 ；热设计 ；潜 电路
改进 。
如果 要找 出潜 电路 ，首先要将存在 于 电路 中的所有通路罗列 出来 。为 了简化这 项工作 ，可将无关 紧要 的路径 略去，但连 通 电源与接地总线通路是不 能略去的。由 于这项工作量非常大 ，通 常是需要用 到计 算机 ，因此 ，可基 于这 一点形成网络树。 该 网络树 必须将各 电源 放置在 各个网络树 的最上端 ，大地 是底 部，同时，根据 电流 由上往 下的规 则对 电 路进 行排 列。通 过网 络树可对存在的潜电路进行确定。 在 分析潜 电路过程 中，环境变化通 常 被认为是 没有影 响的，部分硬件 故障所引 起 的潜 电路也无 需识别。此 过程 中的元件 自身的可靠 性并不重要 ，重要的是系统各 个元件之 间的关系与影响。而此过程 中， 采用 系统级与功能级图并没有详细的生产 图与 安装 图的效果好 。 ３ ． 小结 较为关键的环节。不能忽视的一点是，采 在可靠性设计中。首要问题是精选元 用部分冗余技术需要加强对故障的检测， 器件，使之满足长期稳定运行精度的要 以及增设其通道 切换装置 ，只有 当其失效 求。元器件的可靠性包括元器件的失效特 率 比受控部分 小的多的时候 ，冗余技术 的 性 、失效机理，抗 干扰性能 ，文 中的分析 优势才能得到体现 。 显然 对该领域有借鉴价值 。 冗 余设计 的主要任 务 ：冗余等级 、类
１ ． 引言 要 使 电子设备 具有 预期 的可靠性 ，就 必须使所 有的相关人员 了解可靠性知 识， 有意识地 共同做好可靠性工作 。本文 基于 这一方 向，进 行 了电子设备 的可靠性 设计 技术分析 。 ２ ． 电子设备 的可靠性 设计技术 ２ ． １电子设备可靠性 预计 电子元器件寿命服 从指数分布是 其设 备 的 一个 最 大特 点，也 就 是故 障率 是 常 数 。因此 ，它 的可 靠性 指 标可 以通 过 公 式进 行预 测 。构成 电子设备 的元器件 都具 备 较 高 的标 准化 ，包括 ：电 阻、 电容 、 －／ 三极管 以及集 成 电路 等 ，而 目前 已经 积累 了很 多标准元器件方面 的试验 与统计 数据 ，现 有的预计标准与手册是 比较 成熟 的。国家军用标 准Ｇ Ｊ Ｂ ／ Ｚ ２ ９ ９ Ａ － ９ １《 电子 设备可靠 性预计手册》适用于 国产 电子元 器件 的预 计，而美 国军标Ｍ Ｉ Ｌ － Ｈ Ｄ Ｂ Ｋ － ２ １ ７ Ｅ 《 电子设备可靠性预计 》则适用 于进 口电 子元器件 的预计 。 ２ ． ２ 电子元器件的选 择与控制 要是系统 的可靠 性得到保障 ，元 器件 规格种类 与保障费用减少 ，最有 效的一个 措施就是对 电子元器件 的选择与控制 。 企业在选择与控制 电子设备元器 件时 应根据可靠性要求采取相应的措施，通常 需要注 意的是 ： （ １ ） 建立元器件采用 的控制机制 ； （ ２ ） 针对 元器件控制制定相应 的方案 ， 控制所有元器件的使用，编制元器件选择 清单； （ ３ ） 在 选用 转承 制方 的元器件 时要 进 行相应 的控制 ； （ ４ ） 必要时 进行相 应 的应力 筛选 。筛 选方法参 考本文第 六节。 ２ ． ３ 电子元器件的降额设计 降额设计 的 目的是使 电子元 器件的工 作应 力 比所规定 的额定值低 ，以使基本故 障率 降低 ，从而保证系 统的可靠性 。电应 力 与 温度 应 力对 其 故 障率 的影 响 较为 明 显 ，所以 ，在 电子产 品的可 靠性设计 中， 使用最 多的一个方 法就 是降额 设计 。 所有的电子元器件都有最适宜的降额 范围 。这个时候 ，它的失效率 由于工作应 力的变化而受到 的影 响是最大的 ，也便于 设计，同时，设备的重量与体积 以及成本 等都 相对较 小。 在电子元器件最适宜的降额范围内， 其 降额等级可分为 Ｉ 级 、 Ⅱ级、Ⅲ级 ，降 额 等 级 中最 大 的是 Ｉ 级 降 额 ，其 次是 Ｉ Ｉ 级，最小的是Ⅲ级。如果所发生的故障会 对整个系统的安全造成威胁并会导致严重
的后果 ，则要采用 Ｉ 级 降额 ；而所 需成本 与可靠性增 长效果最大就是Ⅲ 级降额 。 ２ ． ４ 电子元器件 的热设计 热设计 的基 本任务是 ：在满 足性能要 求的基础上使设备 内部尽 量少产生热量与 热阻，选择恰当的冷却方式。 热设计 的基本步骤： （ １ ） 第一 步要 明确设 备的损 耗 、发 热 量 、设 备规 格 与所 处环 境 等 多个 设计 条 件； （ ２ ） 确定 设备 的冷 却方式 ，并对 满足 原始条件与否进 行检查； （ ３ ） 对相 关构件 进行 热设计 ，如 ：元 件、线路、印制 电路板 以及机箱； （ ４ ） 检查 要遵 照热设 计检查 表 ，对 于 是否满足设计要求进 行确定。 ２ ． ５ 电子元器件 的冗余设计 冗余指 的是系统 中有一种 以上的手段 来执行 同类指 定功能的能力 。进行冗余设 置有助于系 统可靠性的提高 ，但系统却 同 时会变得更加 的复杂 性，重量与体积也会 更大 。有一种观 点是：当采取 了相应 的方 法之后 ，如 简化 设计 、降额设计等 ，还是 满 足不 了系统 的可 靠 性要 求 ，再 选择 冗 余 。另一种观 点是：当预算与进度都不是 很宽裕 的时候 ，可选 择较为成熟的冗余技 术 ，这样可 以更 好的提高系统 的可靠性 。 所 以，要根据具 体的场合来决定是 否使用 冗余 。 并不 是任何场合都适 合采 用冗余 的， 通常使用效 果比较好的是在层次较低 以及
阻抗 的选择 ；恰 当的布置仪器与 电路 。在 设计 电磁兼容 中的许 多环节 需要采取相应 的措施 ，如 ：接地 、屏蔽 、滤波 、仪器 电 路与结构设计 以及 防静 电等 。电磁兼容性 的测试与验证也是最后一个必不可少 的环
节。
２ ． ７ 电子元器件的潜电路分析 我们所说的潜 电路就是在一定的条件 下 ，电路 中产生并非我们所期望 的通路 。 它对系统 的正常功 能有抑制 作用 。对潜 电 路进行分析是为 了找 出影 响正常功能的潜 电路 ，以帮助我们对现 有设计进 行相 应的