可靠性设计,通过设计实现产品可靠性指标的方法。产品的可靠性是通过设计、生产和管理而实现的,而首先是产品的设计。它决定着产品的固有可靠性。
可靠性设计_可靠性设计 -正文
电子产品可靠性设计技术包括许多内容,主要有可靠性分配、可靠性预测、冗余技术、漂移设计、故障树分析和故障模式、效应和致命度分析、元件器件的优选和筛选、应力-强度分析、降负荷使用、热设计、潜在通路分析、电磁兼容和设计评审等。可靠性分配根据用户对系统或设备提出的可靠性指标,对分系统、整机等组成部分提出相应的可靠性指标,逐级向下,直到元件、器件、工艺、材料等的可靠性指标。可靠性分配是系统或设备的总体部门的一项可靠性设计任务。
对于有L个组成成分的系统,最简单的情况是这些组成成分的可靠性是互相独立的。若第i组成分不可靠,则系统就不可靠,系统可靠性为q=q1q2…qL〔若第i组成分的不可靠性为Pi=1-qi,则系统的不可靠性为P=1-q=1-(1-P1)(1-P2)…(1-PL)≈P1+P2+…+PL〕。这是系统可靠性分配的基本公式。可靠性分配本质上不是数学问题,而是人力、物力的统一调度和运用的工程管理问题。因为不同整机、元件、器件的现实可靠性水平是很不相同的,而把它们的可靠性提高到一定水平所需要的人力、物力和时间往往差别很大,因而不能采取均匀提高的纯数学方案。在实际工作中,需进行多个方案的协调、比较后才能决定。
可靠性预测主要是根据电子元件、器件的故障和产品设计时所用的元件、器件数和使用条件,对产品的可靠性进行估计。最简单的情况是:产品由k种电子元件、器件组成,第i种元件、器件的寿命为指数分布,故障率为λi,用量为ni。任一元件和器件发生故障都会引起产品故障,故产品的故障率为
λ=n1λ1+n2λ2+…+nkλk
这是在设计阶段根据元件、器件的故障率对产品故障率提出预测的基本公式。在实际使用时,还要增加一些修正和补充。元件、器件的故障率还会随环境和其他条件而发生变化。若实验室条件下的元件、器件的故障率为,则在环境A下的故障率为式中k
为元件、器件在环境A下的环境因子。在恶劣环境下,环境因子值可能很大。例如,导弹发射环境下的环境因子可能达到20~80。用预测公式测得的λ值还需要乘上一个修正因子(1+α)。对于比较成熟的设计,α可取10%左右;对不太成熟的设计,α可取30%以上。预测的故障率与实际投入使用后的现场故障率有一些差异是正常的。事实上,在设计阶段可靠性预测主要是相对可靠性,而不是绝对可靠性。
冗余技术当产品设计中发现某个组成部分的可靠性过低,影响产品的总可靠性指标时,便采取所谓冗余技术来提高这一部分的可靠性。有k个组成部分的产品,各组成部分的可靠性是互相独立的。若其中一个部分出故障,产品就出故障,则这些组成部分构成一个可靠性串联系统。若产品的第i部分的可靠性为qi,则产品的可靠性q=q1q2…qk;若其中的一个部分不出故障,产品就能完成预定任务,则这些组成部分构成一个可靠性并联系统。这时,q=1-(1-q1)(1-q2)…(1-qi)。
如果k=2,q1=q2=0.99,则组成可靠性并联系统后,q=0.9999。即经可靠性并联后大大提高了可靠性。所谓“多数表决”冗余技术,是只要k个组成部分中多数不出故障,产品就能完成预定任务。一般说来,很少使用整机作为冗余的组成部分,通常是对整机的薄弱环节进行冗余处理。
漂移设计元件、器件的性能参数容许有一定的散布。其上限为上公差,下限为下公差。随着出厂时间的增加,性能参数产生漂移。温度和其他环境条件的变化也会造成参数漂移。只要元件、器件的漂移不超过公差的上、下限,就是合格的。电路的设计应该是,只要所用的元件、器件性能参数在规定的容许上、下限以内,电路的性能参数就应该是合格的,即使元件、器件的参数值到了规定容许的上、下限的边缘,也应如此,这称为电路的漂移设计。在满足元件、器件规定容许的上、下限前提下,在理论分析上,元件、器件有一些最坏组合,使电路的性能参数产生最大的偏离。如果这些最坏组合产生的电路仍能满足要求,则电路就满足漂移设计要求,这也可以通过最坏组合的实际电路加以验证,称漂移试验。但是,最坏组合方法往往偏于过分保守。如果能知道元件、器件性能参数的概率分布,则可以分析出电路性能参数的概率分布,从而作漂移分析和漂移试验,这称为概率法。这往往比最坏组合法更符合实际情况。
可靠性设计故障树分析故障树分析是美国贝尔实验室1961年首创的一种系统分析方法。其优点是较易处理复杂系统,容易发现可能导致系统出现故障的情况,有利于消除潜在故障。在设计阶段,它有助于发现系统的薄弱环节,是改进和提高设计可靠性的有力工具。故障树是一种树状的逻辑因果关系图,它利用一系列符号和逻辑门来描述各种事件之间的因果关系,使人们对这些关系一目了然。例如,基本事件的符号为○、结果事件的符号为