电路可靠性设计简介

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1、电路可靠性设计简介编写：陆寿茂 校对：谢 浔航天一院一部一室 2005年7月15日 北京 可靠性概述 电路可靠性设计本 讲 座 的 主 要 内 容1.1 工程设计内容 产品工程设计至少包含两项内容，即功能 设计和可靠性设计。 功能设计，即常规设计。按设计要求完成产品 系统（综合）设计，实现预定的功能、性能及 技术指标要求（略）。 可靠性设计，确保产品维持合格性能的能力。 这是本文的重点。 其它。如针对某项特定要求的优化设计（略） 。1. 可 靠 性 概 述1.2 可靠性定义1.2.1 不可修系统可靠性定义 可靠性定义是：在规定条件下和规定时间内，完成规 定功能的概率。称为狭义可靠性，用R表示。

2、 这里“规定条件”是指运行时的工作条件和环境条件 。环境条件通常分为三类，即自然环境、力学环境及 电磁环境： 自然环境包含温度、湿度、气压、有无有害气体等； 力学环境包含振动、冲击、线性过载（离心）、气体噪声 等； 电磁环境包含电场、磁场、电磁场，噪声电压、电流等。1.2.2 可修系统可靠性定义 维修性的定义是：在规定条件下和规定时间内 ，完成对故障产品维修而恢复规定功能的概率 。用M表示。 可修系统采可用性表征可靠性。其定义是：产 品在规定条件下使用，于指定时刻处于正常工 作状态的概率。亦称广义可靠性，用A表示。A 与R、M的关系式为式中R为狭义可靠性；M为维修性；t为任务时 间； 为允许的

3、维修时间。1.2.3 产品可靠性的组成 固有可靠性 使用可靠性 可靠性设计就是为固有可靠性及维 修性奠定基础。1.3 可靠性定量指标 1.3.1 可修系统广义可靠性定量指标树状图一般可修系统不但要求在使用时期具有高可靠性 ，还要求在使用前能够保持很高的可用能力。这 种可用能力取决于以下三个基本因素 可修系统广义可靠性定量指标树状图从上图16项指标中挑出常用4项指标作较细的介绍（1）工作失效率 定义：是单位时间内现存产品故障变化率。 它反映瞬时失效情况，与 的关系为 单位： 失效率通常用作 单位。对于低失效率的 元器件惯用菲特（Fit）作单位：1菲特（Fit） 等级划分 浴盆曲线把曲线分为三段：

4、早期 失效，偶然（随机）失 效及耗损失效。应尽量 避开早期失效和耗损失 效。中间段失效率最低 而且稳定。该段长度称 为产品使用寿命。 偶然失效期产品失效分 布呈指数规律（2）维修性式中k为维修开始时处于故障状态的产品总数； 为到时刻 的修复数。（3）修复率修复率是单位时间内现存的待修产品修复 变化率。它反映故障产品瞬时修复情况。与 的关系为 （4）可用性A可用性指标是综合反映狭义可靠性与维修 性的尺度量。工程上最常用的是稳态可用性 。当产品工作寿命与故障后修复时间均为指 数分布时，稳态固有可用性为 式中MTTR（Mean Time To Repair）：平均修复时间 。1.4 可靠性工程简述

5、所谓可靠性工程，它是以保证和提高产品可 靠性、维修性为目标，在给定资源条件约束 下，在全寿命周期过程中，最大限度地纠正 与控制各种偶然故障，并预防与根除各种必 然故障的工程技术。由此可见，可靠性工程 涉及产品设计、试验、定型生产、贮存、使 用直至寿命终止全过程。 可靠性工程诸环节关系图1.5 可靠性指标分配及可靠性预计 可靠性、维修性、可用性权衡 可靠性指标分配 维修性指标分配 可靠性预计 维修性预计 FMEA(FMECA) FAT法2.1 电路可靠性设计准则 美国人的经验 注意细节 控制不确定因素 我们的经验2. 电 路 可 靠 性 设 计 正确选用元器件； 元器件降额设计； 系统简化设计；

6、 继承性设计； 稳定性设计； 环境适应性设计； 保护性设计； 冗余设计； 早发现、早解决（问题）。2.2 可靠性基础性设计 2.2.1 正确选用元器件在广泛调研基础上编制元器件优选目录，按目录 选用元器件，避免盲目选用而引入不合格元器件 。对于关键元器件应列出清单，对不同厂家元器 件的优劣作出比较。 对元器件进行综合评价，决定是否选用。 设备或系统的研制单位对元器件生产厂家进行质 量认定，做出质量认定结论，并以此作为元器件 选点和选用的依据。2.2.2 元器件降额设计 元器件选定后，要进行应力分析，通过实际摸底试 验观察元器件能承受多大的应力，并根据积累的实 验数据建立起应力与失效率关系曲线，

7、从而确定在 使用时如何减少应力负荷。这就是降额设计。降额 设计的任务主要是合理选定降额系数。降额系数S定 义为： 附录1给出常用元器件降额准则一览表供设计参改。 地面民用电子设备的降额等级为级。、级为 军用。2.2.3 系统简化设计 系统电路越简单越可靠 采用先进技术、引入创新理念能够显著地简 化系统设计 简化设计要合理，防止顾此失彼2.2.4 环境适应性设计 产品可靠性的本质问题是如何能够耐受各种 可能遇到的环境作用。因此设计人员必须了 解环境条件及其潜在影响，必须选择能对抗 这些环境条件影响的设计方案，或者必须提 供一些方法在可以接受的范围内来改变或控 制环境条件。 设计者必须对工作环境条

8、件进行分析，列出 可能对设计方案有不利影响的全部环境因素 ，以及每一种因素的重要特性（频率、强度 、持续时间等）。分析可能存在的各种环境 因素的不利组合，主要关心的是影响产品可 靠性的那些实际的有害组合。 在对环境条件进行分析时，还必须考虑到运 输、装卸、贮存、维修、使用各个任务阶段 环境对产品可靠性的特殊影响，以采取相应 的设计措施。（1）耐冲击、振动设计 冲击、振动是产品有害的环境。当电 路板谐振频率与振源频率接近引起共 振时会引起元器件脱落、印制线及联 线断裂、连接器接触不良等一系列破 坏性后果。 应对措施有二： 一是选择能够对抗这种环境的基本结构，采用适 宜的材料，采取最佳的部件配置等

9、； 二是减振和消振，实现对冲击和振动环境条件的 控制。 具体措施： 阻尼 隔离 去耦 防松动 防疲劳（2）热设计 半导体元器件对温度敏感。温度升高会引 起失效率增大，降低工作可靠性。设计人员 必须设法降低功耗并解决散热降温问题。热设计就是利用热的传导、对流、辐射通 过各种被动和主动方法使高温产生的热量顺 畅散发出去。被动措施是利用自然散热；而 主动措施是采用热泵、风扇或冷凝装置散热 ，或采用隔舱、隔板绝热以及冷却夹层阻隔 热量。 热设计的要点是： 确定产品热环境条件，如环境温度、环境 气压、最终放热对象； 确定产品热特性，如发热功率，发热元件 最大容许温度等； 选择冷却方式，如自然冷却、强迫风

10、冷、 液体冷却、蒸发冷却等； 确定散热途经，即确定热流路径的结构； 元器件安装和排列的原则是：发热元件应 远离其他元件；热敏元件安排低温区域； 元件之间不宜过紧过密。（3）“三防”设计 “三防”即防潮、防盐雾、防霉菌。 尽可能采用密封元器件和防锈蚀材料。印制板应喷 涂三防漆。变压器、电感器、高压组件尽可能全部 灌封或浸渍。对接点优先采用镀金措施。 直接暴露的电子设备尽可能采用整体密封措施，定 期充以干燥气体。暴露在外的电连接器应采用密封 型，并灌注硅橡胶密封。产品内裸露的导线、焊点 、电气固定点应采取防腐蚀措施。不常拆卸的盖板 、联接头应加密封垫圈，必要时在接触面上涂密封 胶。 产品包装应在清

11、洁、干燥的环境进行，采用塑料封 装和密封技术。产品储存环境应控制温度、湿度和 洁净度并通风，防止长霉。2.3 电磁兼容设计 2.3.1 定义 电子设备或系统均具双重性：一方面要在规 定的电磁干扰环境中正常工作；另一方面它 对外部产生的电磁噪声要控制在规定的限度 内，不对其它事物构成有害影响。所谓电磁 兼容就是设备或系统兼备上述两方面的能力 。2.3.2 基本思路 抑制噪声源。有系统内部噪声和外部噪声 之分。设计者首先要找准噪声源，研究噪 声形成机理，采取必要措施抑制之。从源 头抑制噪声、乃至消除噪声，效果最佳。 抑制噪声传输，即在噪声传播途经上设置 障碍，减弱或阻断噪声传输。 提高设备抗干扰能

12、力（亦称免疫能力）， 即抬高噪声进入门槛。2.3.3 设计要点 接地 屏蔽 滤波 浮地 若干细节（1）接 地 定义： “地”定义为一个等位点或等位面。它为电路 、系统提供一个参考电位，其数值可以与大地 电位相同或不同。它为电路、系统各部分电流 提供回路。因此接地阻抗必须很低，以减少传 导噪声。一个良好的地线网不仅能够提高抗扰 度，还可减少电磁发射。接地与屏蔽结合能够 解决大部分的噪声干扰问题。 功能划分： 包括安全地、信号地、噪声地、硬件地（金 属件地）、屏蔽地等。 结构设计分三个层次 电路板 机箱 机柜 浮地 噪声地 接地形式 单点接地（低频） 多点接地（高频） 复合接地（宽频）（2） 屏蔽

13、 功能 屏蔽可防内部噪声外泄，也防外部噪声进入。不 管是以电场形式、磁场形式还是以电磁波形式存 在的噪声，选择合适的屏蔽技术均能起到抑制作 用。 屏蔽体系 屏蔽体系是个整体概念，由线缆的屏蔽层、连接 器的外壳、机箱、机柜等构成。依据噪声源所处 的位置，屏蔽体的接地点是不同的。按噪声频段 划分为单点、多点及复合接地几种形式。 屏蔽材料 铜和铝是常用的电屏蔽材料，对电磁波 有较大的反射损耗。电屏蔽体一般要求接 地。 铁及高导磁率合金是较好的磁屏蔽材料 。磁屏蔽可以不接地。若接地，则兼顾电 场屏蔽功能。 屏蔽要求 设备屏蔽盒应该注意屏蔽的连续性。低 频电缆金属编制网的覆盖面积应大于90% 。电源变压

14、器及音频输入变压器应有接地的 电磁屏蔽。有强电磁辐射（发射机及其天 线、接收机本振、时钟振荡器、DC/DC电 源等）或对电磁场敏感的器件、部件（接 收机天线引入线、低电平输入电路等）应 加大间距，采用良好的电磁屏蔽，尤应注 意屏蔽有关线缆敷设的路径。 屏蔽盒为整体屏蔽。为取得满意的信噪比 （SNR）可采用两层或三层屏蔽，各屏蔽 层分别连接不同的地。印制板上空间有限 ，高度受限的屏蔽板（条）可作首选方案 。（3）滤波 机理 利用滤波器的选频特性，在保留有用信号的同时可以衰 减特定频段的噪声，从而有效地抑制噪声强度。 分类 除使用较多的低通滤波器（LPF）外，还有高通（HPF） 、带通（BPF）和

15、带阻（BRF）滤波器可供选用。合理组 合这些滤波器能够增强抑噪效果。 滤波器有无源和有源之分。通常在电源噪声抑制中以无 源滤波器为主，而对信号噪声的处理则是两者兼用之。 根据与参考电位的关系，可分为差模噪声和共模噪声。 与之对应的有差模噪声滤波器和共模噪声滤波器。 要求 电感、电容、电阻是构建无源滤波器的 基本元件。根据滤波器的功能和性能指标 可以选用合适的拓扑结构。这种滤波器具 有简单易行和廉价的特点。有源滤波器省 去笨重的电感、体小量轻，性能优良而稳 定。两种滤波器均有模块产品面市。 注意事项a) 正确选用电容器的类型和质量（耐压、频响 、温度系数等），防止击穿短路；高频去耦不能 用极化电容或有极性电容。 b) 对L型无源LPF，应以电容端接向高阻抗噪声 源；以电感端接向低阻抗噪声源。 c) 滤波器的输入与输出端应远离，减小有害耦 合，必要时加屏蔽；滤波器尽量靠近噪声源，用 短线或屏蔽线连接。 d) 对DC/DC电源，应独立设置输入、输出滤波器 模块。 e) 对信号滤波，不因插入噪声滤波器而改变信 源阻抗。（4） 浮地 浮地是抑制共模噪声的有效措施。通常用变 压器或光耦器件将信号输出地与输入地隔离 ，切断两地线电气连接，以高阻值的隔离阻 抗阻断地电位差（即噪声）对输出信号的干 扰。 浮地是以DC/DC隔离电源或浮地电池供电为 基础，