第六章电子系统可靠性设计

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1、1 第六章 电子系统可靠性设计6-4 三 次 设 计一、三次设计的内容：内 容 提 要内 容 提 要二、三次设计的有关概念 三、三次设计的示例 习 题 六答案答案6-3 电子设备的热设计一、电子设备的热设计概述 二、电子设备的热设计程序2 6-3 电子设备的热设计一、电子设备的热设计概述 1. 对电子设备进行热设计的原因 电子设备在工作过程中 消耗各种形式的能量这些能耗 变为热可靠性。 功耗转换成热能的计算式为：功耗转换成热能的计算式为： PQ6 . 3=(6-3)式中Q 热能，单位为KJ/h ;P 功耗，单位为W。3电子设备由大量电子元器件组成的，而其 工作温度影响可靠性，见图5-12所示。

2、图 6-12元器件的元器件的与温度关系与温度关系粗略地估计, 温度 100C 一倍。电子设备进行热设计 十分必要。4 2. 对电子设备进行热设计的要求 (1) 通过热设计在满足性能要求下尽可能减少设备内部的热量；(2)通过热设计设法减少热阻;(3) 通过热设计能保证设备在较低温度条 件下工作,以便减少参数漂移,保持电性能稳定,从而提高可靠性。 3. 对电子设备进行热设计的基本方法 （1）提高元件，材料的允许温度； （2） 减少设备的发热量； （3）用冷却的方法改变环境温度并加快 散热速度。5 二、电子设备热设计程序1. 明确设计条件：设备功耗；发热量；设 备的允温升；设备外形尺寸的限制； 设备

3、放置的环境等。2. 决定设备的冷却方式，可采用图6-13所示的流程（见下页图）。3. 在决定 冷却方式以后，分别对元件、 线路、印刷电路板和机箱进行热设计。电子设备热设计检查一览表见表6-5所示。6图 6-13 冷却方式设计流程冷却方式设计流程框图7表6-5 电子设备热设计检查一览表8 续表6-59三次设计是提高产品质量的一种优化设计方法三次设计是提高产品质量的一种优化设计方法。其核心是找到合理的参数组合，使 成本降低，稳定性提高，从而提高了产品的 可靠性。6-4 三 次 设 计一、三次设计的内容：参数设计容差设计系统设计10由专业技术人员按照产品性能指标要求，运用专业技术知识进行初步设计初步

4、设计，提出设计方 案，并建立产品（系统）性能指标和所用元器 件之间的函数关系。在系统设计完成后，为使产品性能指标尽可能好或尽可能稳定，通过运用正交表选优的 方法，根据设计计算或试验结果来确定系统诸 因素的最优参数组合。诸 因素的最优参数组合。1. 系统设计2. 参数设计11在系统设计和参数设计的基础上使产品 满足容许差要求满足容许差要求，并规划产品质量和成本， 使产品在社会的总经济效益最优。很多情况下， 随着产品指标值y而变化的质量费用函 数为Q (y) 的曲线如 图6-14 所示。二、三次设计的有关概念1. 质量损失函数3. 容差设计图 6-14质量费用函数曲线12设Q (y) 在y = m

5、处存在二阶导数， 则按台劳公式 有：2( )“( )( )( )()().1!2!Q mQmQ yQ mymym=+由于Q (y) 在y = m为最小 值，则有Q(m) = 0由于考虑质量费用最小，选取的产品指 标值y尽量靠近m，故y m 很小，故有：图 6-14质量费用函数曲线13令质量损失函数 L (y) = Q (y) Q (m)则质量损失函数为：L (y) K (y - m)2( 6-4 )2)(! 2)()()(mymQmQyQ +!2)(mQK =令myKmQyQ2)()( )( +则14 2. 功能界限与允许差是产品出厂公差的1/2，是产品 合格与否的判据，一般用用表示表示。当性

6、能指标y 符合符合m-ym+时，产品合格时，产品合格，否则不合格。应注意不合格产品未必就不能用，还可以 降级，返修处理。是指产品性能指标偏离其中心值直到使产品功能完全丧失的范围，它是产品 失效的判据，一般用表示之。(1) 含义与代号 功能界限功能界限 允许差允许差15式中：D当产品的性能指标中心值为m、 功能界限为时的质量损失，即 D = L(m)；A使之达到标称中心值m的成本产 品质量损失，即A = L (y)。(2) 有关数学表达式(6 - 5)2 2)()(myDyL=(6 - 6)=DA16例 6-5 电视机的电源电路直流输出电压的标称 中心值为m = 115V，功能界限= 25V，当

7、电源的输 出电压恰好在功能界限时，设此时的损失D =300元。 设某工厂生产的该电视机，输出电压为111V， 该工厂进行上述返修需要成本费A=8元。(3) 产品功能界限与允许差计算分析示例 该工厂对这台电视机进行返修，使之 达到标称中心值所需的成本费A = 3元；试问：该电视机是否可以使用该电视机是否可以使用；判断在下列 情况下该电视机能否作为合格品出厂能否作为合格品出厂，并说明不 能作为合格品出厂的理由。17(2) 判断电视机能否作为合格品出厂： 当A=3元时由式（6-6）得因为该电视机输出电压为111V偏离标称中心 值115V仅为(115-111=) 4(V) , 远未超过=25V，故 该

8、电视完全可以使用。解：(1)判断电视机是否可以使用= DA)V(5 . 2253003=18因为111V不在不在112.5V117.5V之间之间，故此电视机不能做为合格品不能做为合格品出厂。)V(5 .1175 . 2115 =+=+m由于 当A=8元时由式(6-6)得：)V( 08. 4253008=DA)V(5 .1125 . 2115 =m19因为111V在在110.92V119.08V之间之间，所以该电视机可做为合格品合格品出厂。由已知条件和式（6-4）可有：(3) A = 3元钱不愿进行返修又会出现什么结果？元钱不愿进行返修又会出现什么结果？)V(08.11908. 4115 =+=

9、+m由于)V(92.11008. 4115 =m)V(48. 025300 )-()(L 222元=myyK20因此，由于工厂将输出电压111V的电视卖给用户，给用户带来的员失可由下式求得： L(111)=0.48(111-115)2=7.68元也就是社会总损失社会总损失将为： 7.68-3.00 = 4.68(元) 。日本人称这个工厂的做法比小偷还要坏， 因为小偷的“得”与被偷人的“失”正好相等，社 会总损失为0，远远小于4.68元。22)(48. 0)()( mymyKyL=Q21三、三次设计的示例例 6-6 需要测量电阻Y，请使用三次设计方法设计一个惠斯登电桥。惠斯登电桥是用来测量电阻的

10、仪 器，利用电学知识 进行系统设计，得 到如图6-15所示的惠斯登电桥。解：(1) 进行系统设计（第一次设计）。图 6-15惠斯登电桥22 其中Y是被测的未知电阻，A、B、D、F是 已知电阻，调整可调电阻C，使安培计X的读数 为零。于是由下式(见图)： B CYA=确定电阻 Y。但是，由于安培计及其读数有误差，因此，当安培计读数为零时，仍有少量电流流过 安培计。设此时流过安培计的实际电流为X安 （A）。则上式修改为：23式中电阻单位为欧姆（），电源电动势 单位为伏（V），电流单位为安（A）。以上就是系统设计要解决的基本问题，它是由专业人员利用专业知识来完成的。)()( )()(2CADBACC

11、ABBAFEAX ABCY+=24（2）进行参数设计（第二次设计）仍以惠斯登电桥为例，当安培计读数为零时，流过安培计的实际电流有波动，电阻与电源 电动势有误差，诸参数各取何值实际电流有波动，电阻与电源 电动势有误差，诸参数各取何值？才能使测Y最佳，这就是参数设计问题。从根本上讲，也就是 参数优化问题。参数优化问题。在惠斯登电桥中，影响测Y的精度有两种 因素：两种 因素：一种是系统性因素系统性因素，如A、B、D、E、 F各取何值；另一种是随机因素随机因素，如各参数取值误差。25系统性因素系统性因素是可控制的，随机因素随机因素是不可 控制的。对于不可控的随机因素随机因素优选设计称为外 设计外 设计

12、，相应的正交表称为外表外表。设计过程通 常要几经反复，进行多轮设计。对于可控的系统性因素系统性因素优选设计称为内 设计内 设计，相应的正交表称为内表内表；下面将一般设计步骤简介如下：内设计是对各参数中心值中心值进行选优。 内设计26首先根据各参数取值范围由初始参数组合（中心位级）出发；内设计思路：制定参数位级表（又称因素位级表）。按等比或等差数列或其它原则确定其它 位级 的值；27 例如对惠斯登电桥可制定参数位级表6-4。由上述位级表可知，这是五因素三位级的 优选问题，我们选正交表L18（37）。将参数位级表代入正交表中，相应位级对号入座，从而 得到内表。28 外设计在上述内表的18个组合个组

13、合中，哪一个组合较 优？这需要根据考核指标（即Yi相对于目标值 Y*的波动）来比较各组合的优劣，从而要把各号组合诸参数误差因素考虑进去，即要进行不 可控因素的优选设计外设计，配制内表的 各号组合的外表。配制外表的步骤与配制内表的步骤类似。 首先制定内表中各号组合的误差因素位级表， 如6-5。29表中、分别为电阻与电动势的相对误 差，为电流波动值。30 将上表代入正交表L18（87）中，即得内表 第i个组合的外表，这样的外表共计18张。据此按系统特性与各参数之间函数关系公式计算每一 张外表各号组合的Yi。内表某号组合的优劣应该 用该号组合的外表计算的18个yi与目标值Y*的接近程度来衡量，故应以

14、均方偏差：18 * 211()18i iVYY=作为考核指标，V值越小越好。V值填入内 表的最右栏，各因素各位级V值之和I、II、III以 及极差R填入内表下方。31在内设计中因素位级表中的K除了取K1以外 ，还可以取K2、K3、K4、K5重复计算，这样可 得 5 张内表、90 张外表。 变更位级，重复计算怎样取K？没有严格规定，主要是为了便于编程序上机运算。在 5 张内表中共有 90 种组合，根据各种 组合的V值最小原则确定第一轮设计直观的好组合。 选择最后设计结果32 直观的好组合是粗略设计结果，为了得到更好的结果，还要通过计算找出第一轮的最好组 合。为此需求算对应于5个K值的每种因素的各

15、 个位组的V值之和I、II、III。为了便于比较，可 以第二位级为基准，对5个K值分别求出相应的 各因素各位级V值之和与该因素的第二位级V值之和的比值：,AAAA RRRR,BBBB RRRR,FFFF RRRR,DDDD RRRR, EE EE33对于直观的好组合与计算的好组合，分别 配制外表并计算V值，以以V值较小的作为第一轮 设计的最好组合 。值较小的作为第一轮 设计的最好组合 。为了求得更好的结果，在第一轮基础上重复第一轮设计步骤，进行第二轮、第三轮 设计。按照比值最小原则比值最小原则确定第一轮设计计算的好组合。第三轮初始组合是第二轮设计的最好组 合，直到进一步降低直到进一步降低V值的潜力已经不大时为止值的潜力已经不大时为止。第二轮初始组合是第一轮设计的最好组合。34 最后根据多轮设计发展趋势把最后设计结果即参数的最优组合整数化，参数设计即 告完成。在用参数设计方法找到了最优参数组合以 后，还要进一步考虑 选取哪种精度的元器件最好选取哪种精度的元器件最好，这就是容许差设计工作。(3) 进行容许差设计（第三次设计） 每个因素每个因素（如RA、 RB、 RD、E、 RF 等）对于结果（如RY）的影响的影响大小如何？为此要回答两个基本问题：35 当改变改变某元器件精度时，质量损失函