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1、,第6章 电子系统的可靠性,1,第6章 电子系统的可靠性,6.1 电子元器件的可靠性,6.2 不同元器件的失效机理,2,6.3 元器件的正确使用,6.4 潜在电路分析,6.5 降额设计,6.6 可靠的电路设计,6.7 电路的容差分析,6.8 热设计,3,6.1 电子元器件的可靠性,应力的大小和变化对电子元器件的可靠性产生的影响： 1、电流 电流会引起导体升温，导体内的热量主要通过传导和对流传到其他元器件和绝缘体材料中，可能导致热损伤； 大电流也可能引起元器件参数值的时间漂移，高温环境会加剧其时间漂移。如果有震荡，电流还会产生噪声和机电振动。,4,6.1 电子元器件的可靠性,2、电压 电压应力由
2、不同电位之间材料的电介质强度承受，例：电容器极板之间的电介质材料和导体之间的绝缘。电位差使导体和元器件内产生电流，若电流的载流容量不足，导体或元器件会失效，所以电压应力的失效机理仍是电流。 高压电平引起的因素包括由聚集在衣物或工具上的电荷引起的静电放电；未整流的电源，电路故障等超限应力也会对系统产生影响。,5,6.1 电子元器件的可靠性,3、温度 大多数电子元器件能够在超过其数据手册上列出的温度值条件下使用。低温限制一般为-20-60，超过这个限制，电子元器件的电气特性参数可能会改变，从而导致元器件失效。一般情况下这些失效是可逆的，如果温度升高到低温限制以内，其功能可以恢复。 与高温下长时间工
3、作相比，重复的温度变化带来的损伤更大，例如功率管和处理器等元器件会发生内部导线接头和散热装置附件的疲劳损伤。,6.2.1 电阻,6,6.2.2 电容,6.2 不同元器件的失效机理,6.2.3 电感,6.2.4 继电器,6.2.5 半导体器件,6.2.6 集成电路,7,6.2.1 电阻,一个电阻失效后常常会导致一个电路开路，或者高阻状态； 制造缺陷和静电放电有时也会导致电阻失效； 电阻有时不是引起一个电路开路，而是电阻参数的改变。,8,6.2.2 电容,电容的失效通常使电路开路，除了在某些情况下，电解电容失效后产生电路短路。电容在较长时间内没有施加电压，也会引起电路短路。,9,电感失效大多数是由
4、于过电流应力引起的。大电流可能会引起导体发热，结果使绝缘损坏并导致失效。此外，当变化较大的电流通过电感时， 电感的设计者应选择适当的绝缘和导电材料。,6.2.3 电感,10,机电类型的继电器长时间的使用会产生一个金属触点，当大电流或电压或任何其他参数超过电路限度时，该触点用于断开电路。这类继电器的主要失效原因是由于接触失效，继电器承受大功率，产生大量热能造成的。除此之外，由于继电器是一个机械元件，如果处理不当也可能产生机械故障。,6.2.4 继电器,11,6.2.5 半导体器件,半导体器件如二极管，晶体管，场效应管，太阳能电池等都有PN结。 半导体器件的一种重要的失效机制是硅由于扩散，沉淀或光
5、的影响而发生错位。,12,硅芯片中的制造缺陷是这类器件失效的主要原因。除了这个原因，集成电路遇到静电放电，电迁移和天线的影响也很容易失效。静电放电会引起金属熔化和相连的电线熔化，通常造成开路。,6.2.6 集成电路,13,不同电子元器件的故障模式,6.2 不同元器件的失效机理,6.3 元器件的正确使用,6.3.1 分立半导体器件的使用,14,6.3.2 固定电阻和电位器,6.3.3 电容器的选用,6.3.4 集成芯片的选择,15,6.3.1 分立半导体器件的使用,从电应力、工作频率、型号互换等方面考虑。其中电应力主要包括电压应力和电流应力： 电压应力：所加的电压大于半导体器件的极限电压值时，将
6、会出现瞬时击穿或永久性击穿，前者引起元器件电参数的变化，后者会使元器件产生突发性失效； 电流应力：在温度和电流的综合作用下，器件内温度可能会超过其极限而导致器件失效； 工作频率：考虑上限频率的影响，工作频率超过该极限，则器件的性能将下降甚至失效。,16,6.3.2 固定电阻和电位器,1、阻值的稳定性 电阻的阻值会因其材料的“老化”而变化，这是一个缓变的过程。电阻值更经常地受到温度的影响，因此在精密电路中，电阻的温度漂移系数是个重要指标。 2、工作频率 当电阻工作在高频时，其工作参数受分布电容、趋肤效应、介质损耗及引线电感等因素影响而变化。,17,6.3.2 固定电阻和电位器,3、功率负荷 当电
7、阻承受的功率超过其额定值时，电阻值将因温度升高而产生误差或导致电阻失效。 4、噪声 在常见的电阻器件中，碳膜、金属膜和精密合金箔电阻的性能依次递增；线绕电阻温度稳定性最好，常用于精密测量仪器中。,18,6.3.3 电容器的选用,1、频率范围 电容器存在一个固有的谐振频率。为保证其容抗特性，必须使工作频率小于该谐振频率；另外，介质的频率特性也限制其应用的上限频率。 2、容量稳定性 温度和制造工艺会影响电容器容量的稳定性，在频率谐振电路中，对电容值的稳定性有较高的要求。,19,6.3.3 电容器的选用,3、噪声性能 对于低噪声电路的电容器要选用损耗角正切值小的电容器。常用的电解电容的噪声最大。 4
8、、电压负荷 承受直流电压能力较强，交流和脉动的电压承受能力则较弱，一般随着频率的增大，所能承受的额定电压会下降。 5、承受功率 用于电源滤波等场合，应该考虑其承受功率问题，当电流脉动较大时，电容器的温度也会升高，性能指标下降，最终导致被击穿失效。,20,6.3.4 集成芯片的选择,1、集成电路的使用特点 外围器件的参数选择正确、整个电路工作在额定状态和额定条件下。,21,6.3.4 集成芯片的选择,2、选择集成芯片的考虑因素 （1） 数字器件 数字器件需要考虑电源电压范围、信号状态与电平阀值、关门电阻、最高工作功率、单门延时、噪声容限、工作温度范围以及功耗等。 （2）模拟器件 器件是单电源还是
9、双电源供电及电压范围、功耗、输入电阻、输入信号电压幅值、输出电阻、输出功率、截止频率、增益、共模抑制比、线性度、噪声系数以及温度漂移等。,22,6.4 潜在电路分析,6.4.1 潜在分析类型,6.4.2 网络树的构造,6.4.3 潜电路设计规则,6.4.4 案例研究,23,6.4.1 潜在分析类型,1.潜在通路分析 在一个硬件系统中，所有的电路通路都进行研究的方法。潜在通路分析用于识别硬件系统的潜在电路，主要是功率分配，控制，开关网络和模拟电路。 2.数字SCA 针对潜在条件，运行模式，逻辑错误和矛盾等方面，对数字硬件网络进行分析。 3.软件潜行路径分析 对计算机程序逻辑流的潜通路分析。,24
10、,6.4.1 潜在分析类型,【例6-1】 汽车内的潜在通路简图如图所示。,25,6.4.1 潜在分析类型,在点火开关断开，收音机工作的情况下，按照设计的目的，在踩刹车脚蹬时，危险开关闭合，车灯才不断闪烁，但是由于存在潜在通路，危险开关没有闭合时车灯也亮，同时收音机也会发出不应有的杂音。,26,6.4.2 网络树的构造,潜电路需要产品级电路文件来确保所有电路都进行分析。电路连接文件被分割成网络树，滤掉无关的示意性数据，生成真实的简单的电路描述。 最重要的拓扑模式是Y（电源模式），倒Y（地模式），组合电源/地模式（X）和枕木模式（H）。,27,6.4.3 潜电路设计规则,构成： 1）问题：表达这个
11、规则阐述的潜在问题； 2）解决方案：推荐在实际工作中贯彻这个规则的解决 办法； 3）图示违反规则和符合规则的电路； 4）进一步解释规则的信息。,28,6.4.3 潜电路设计规则,规则1：多电源和回路,29,6.4.3 潜电路设计规则,规则2：地侧开关,30,6.4.3 潜电路设计规则,规则3：电路对称,31,6.4.3 潜电路设计规则,规则4：接到或电路,32,6.4.3 潜电路设计规则,规则4：接到或电路,33,6.4.3 潜电路设计规则,规则5：电源开关造成内存的潜定时,34,6.4.3 潜电路设计规则,规则6：潜标志,35,6.4.3 潜电路设计规则,规则6：潜标志,36,6.4.3 潜
12、电路设计规则,规则7：电源分配电路1,37,6.4.3 潜电路设计规则,规则7：电源分配电路1,38,6.4.3 潜电路设计规则,规则8：电源分配电路2,39,6.4.3 潜电路设计规则,规则8：电源分配电路2,40,6.4.3 潜电路设计规则,规则9：电源分配电路3,41,6.4.3 潜电路设计规则,规则10：电源分配电路4,42,6.4.3 潜电路设计规则,规则10：电源分配电路4,43,6.4.3 潜电路设计规则,规则10：电源分配电路4,44,6.4.3 潜电路设计规则,规则11：电源分配电路5,45,6.4.3 潜电路设计规则,规则12：电源分配电路6,46,6.4.3 潜电路设计规
13、则,规则13：开关装置控制共享负载1,47,6.4.3 潜电路设计规则,规则13：开关装置控制共享负载1,48,6.4.3 潜电路设计规则,规则14：开关装置控制共享负载2,49,6.4.3 潜电路设计规则,规则14：开关装置控制共享负载2,50,6.4.3 潜电路设计规则,规则15：潜定时,51,6.4.3 潜电路设计规则,规则16：数字电路,52,6.4.3 潜电路设计规则,规则16：数字电路,53,6.4.3 潜电路设计规则,规则17：接口以及相关的驱动装置中的潜标识和指示,54,6.4.3 潜电路设计规则,规则18：指示器和相关的驱动装置中的潜标识和指示,55,6.4.3 潜电路设计规
14、则,规则19：模拟半导体元件设计规则 （1）双级NPN或PNP晶体管,56,6.4.3 潜电路设计规则,规则19：模拟半导体元件设计规则 （2）运算放大器,57,6.4.3 潜电路设计规则,规则20：数字元件设计规则,58,6.4.3 潜电路设计规则,规则20：数字元件设计规则,59,6.4.3 潜电路设计规则,规则20：数字元件设计规则,60,6.4.4 案例研究,如图所示的电路用于在微处理器和执行器之间进行电子隔离，如果 V sig 为高电平（5V），电路的输出为逻辑0；如果 V sig 为0，则电路输出为24V（逻辑1）。找出电路发生故障的潜藏电路并对这些潜藏电路进行分类。,61,6.4.4 案例研究,微处理器和执行器之间的典型隔离电路,62,6.4.4 案例研究,FMEA分析 下面的故障模式下，电路可以安全运行： 1）电阻R1的短路故障模式 2）稳压管的短路故障模式 3）电阻R4的开路故障模式 将上面三种元器件的故障模式画入实际电路中，形成潜藏电路。,63,6.4.4 案例研究,故障模式影响分析,64,6.4.4 案例研究,光电器件失效率： p = b T
