電子通信產(chǎn)品的硬件可靠性設(shè)計(jì)

1、電子通信產(chǎn)品的硬件可靠性設(shè)計(jì) 產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)涉及到很多方面，要全面開展起來(lái)有一定困難。但是，如果在設(shè)計(jì)階段不采取必要的措施，開發(fā)出的產(chǎn)品可靠性合格的概率是很低的，這就是所謂的“預(yù)則立，不預(yù)則廢”，決不是危言聳聽。所以，產(chǎn)品的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人及所有研發(fā)人員從工作的一開始就應(yīng)該強(qiáng)化可靠性意識(shí)，從力所能及的幾個(gè)方面貫徹可靠性設(shè)計(jì)的思想和方法，盡可能提高產(chǎn)品的可靠性。本文詳細(xì)描寫了電子通信產(chǎn)品的硬件可靠性設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和方法，生動(dòng)地闡述設(shè)計(jì)評(píng)審的意義，希望能給項(xiàng)目負(fù)責(zé)人及廣大硬件研發(fā)人員有所幫助。 1、 可靠性需求分析和指標(biāo)體系的建立 產(chǎn)品的可靠性需求分析，分定量和定性兩個(gè)方面。單板及系統(tǒng)的平均故障間 隔時(shí)間M

2、TBF（或平均致命故障間隔時(shí)間MTBCF）、可用度、環(huán)境條件、溫升控制、電磁兼容指標(biāo)等可以定量地給予明確規(guī)定。保障性、維修性、可生產(chǎn)性、不允許發(fā)生事件等方面要定量規(guī)定有些困難，但是也應(yīng)該做一些定性的規(guī)劃。在研制規(guī)范中有一個(gè)章節(jié)叫“不允許發(fā)生的事件”，我在審核文件中發(fā)現(xiàn)，這部分的規(guī)定都很馬虎，往往只對(duì)顯而易見的一些事件進(jìn)行了非常輕描淡寫的“不允許發(fā)生”的規(guī)劃，并沒有對(duì)各種潛在的約束條件可能導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生的故障進(jìn)行約束，所以，我們經(jīng)常發(fā)生這樣的情況：測(cè)試規(guī)程、測(cè)試用例的設(shè)計(jì)不能覆蓋產(chǎn)品的方方面面，待產(chǎn)品量產(chǎn)或投入市場(chǎng)運(yùn)行后故障百出卻悔恨當(dāng)初規(guī)劃或測(cè)試不到位。 需要說(shuō)明的是，MTBF或MTBCF的指標(biāo)

3、及其分配要盡可能合理一些，要想一想，我們確定的指標(biāo)是否可以實(shí)現(xiàn)，是否有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。王錫吉教授的一種新的可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)方法與應(yīng)用介紹了適用于整機(jī)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)的方法RZTEA和硬件單板的可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)方法RZTEB，十分適用于我們產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)。何國(guó)偉教授的RMST的系統(tǒng)分析給我們由單板可靠性指標(biāo)推算系統(tǒng)的可靠性、可用度指標(biāo)的方法，建議大家認(rèn)真閱讀、學(xué)習(xí)上述文章，以便在產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的確定、分配、預(yù)計(jì)工作中得到幫助。 2、 降額設(shè)計(jì) 所謂降額，就是要使元器件在設(shè)備中實(shí)際使用時(shí)可能承受的應(yīng)力小于其額定 應(yīng)力。不同的元器件所要考慮的應(yīng)力因素是不一樣的，有的是電壓，有的是電流，有的是溫度，

4、有的是頻率，有的是振動(dòng)，等等。對(duì)電容的耐壓及頻率特性，電阻的功率，電感的電流及頻率特性，二極管、三極管、可控硅、運(yùn)放、驅(qū)動(dòng)器、門電路等器件的結(jié)電流、結(jié)溫或扇出系數(shù)，電源的開關(guān)和主供電源線纜的耐電壓/電流和耐溫性能，信號(hào)線纜的頻率特性 ，還有散熱器、接插件、模塊電源等器件的使用要求進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。 通常，根據(jù)降額幅度的大小可分為一、二、三級(jí)降額，一級(jí)降額（(實(shí)際承受應(yīng)力:(器件額定應(yīng)力 < 50%的降額）在技術(shù)設(shè)計(jì)上最容易實(shí)現(xiàn)，降額的效果也最好，但存在成本過(guò)高的問(wèn)題；二級(jí)降額（70%左右的降額）在技術(shù)設(shè)計(jì)上也比較容易實(shí)現(xiàn)，降額的效果也很好，并且成本適中；三級(jí)降額在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上要仔細(xì)推敲，必要時(shí)

5、要通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取一些補(bǔ)償措施，才能保證降額效果的實(shí)現(xiàn)，所以說(shuō)有一定難度，但三級(jí)降額的成本最低。一般說(shuō)來(lái)，我們建議使用二級(jí)降額設(shè)計(jì)方法，在保證降額設(shè)計(jì)取得良好的效果的同時(shí)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度和成本都適中。對(duì)于涉及到頻率特性的器件的降額要謹(jǐn)慎處理。 3、 熱設(shè)計(jì) 確定產(chǎn)品的運(yùn)行環(huán)境溫度指標(biāo)，確定設(shè)備內(nèi)部及關(guān)鍵元器件的溫升限值。一般說(shuō)來(lái)，元器件工作時(shí)的溫度上升與環(huán)境溫度沒有關(guān)系，而民用級(jí)別的元器件的允許工作溫度大多在7085，為了保證在極限最高環(huán)境溫度（50左右）下元器件的工作溫度還在其允許溫度范圍內(nèi)并有相當(dāng)?shù)娜哂喽?，設(shè)備內(nèi)部及元器件的溫升設(shè)計(jì)指標(biāo)定在15左右比較合適。在硬件單板設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該明確區(qū)分

6、易發(fā)熱器件和溫度敏感器件（即隨著溫度的變化器件容易發(fā)生特性漂移、變形、流液、老化等），布PCB板時(shí)要對(duì)易發(fā)熱器件采取散熱措施，溫度敏感器件要與易發(fā)熱器件和散熱器隔開合適的距離，必要時(shí)要從系統(tǒng)的角度考慮采取補(bǔ)償措施。系統(tǒng)或子系統(tǒng)通過(guò)自然散熱（通風(fēng)、對(duì)流等）措施不能保證設(shè)備內(nèi)部及關(guān)鍵元器件溫升限值指標(biāo)得到保證時(shí)，需要采取強(qiáng)迫制冷措施。注意，對(duì)整機(jī)系統(tǒng)，強(qiáng)迫制冷措施要盡可能在高發(fā)熱部位附近實(shí)施，要盡量避免使用把熱空氣送到本來(lái)發(fā)熱不大的部位的散熱路線。 散熱設(shè)計(jì)究竟怎樣才算合適？我們可以通過(guò)一些仿真工具進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)（美國(guó)Ansys公司的熱分析和仿真軟件和FLOTHERM軟件得到了普遍的使用），拿出一

7、個(gè)方案，然后，通過(guò)“設(shè)計(jì)仿真修改設(shè)計(jì)一再仿真測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)修正再測(cè)試”的工程方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同的設(shè)備，其運(yùn)行的環(huán)境溫度極限值指標(biāo)是不盡相同的。對(duì)于大多數(shù)用于電信中心的通信設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以參照交換機(jī)的總技術(shù)規(guī)范書。為了充分保證產(chǎn)品整機(jī)系統(tǒng)的可靠性，一般說(shuō)來(lái)，要求系統(tǒng)在規(guī)定的運(yùn)行高溫條件下至少連續(xù)72小時(shí)運(yùn)行功能正常實(shí)現(xiàn)且性能指標(biāo)沒有任何程度的下降，在規(guī)定的運(yùn)行低溫條件下至少連續(xù)72小時(shí)運(yùn)行不會(huì)引起功能的喪失和性能指標(biāo)的下降。 這里需要提醒的一點(diǎn)是，整機(jī)散熱設(shè)計(jì)，往往要開辟一些通 風(fēng)孔、通風(fēng)槽，要使用一些易散熱材料，與電磁屏蔽設(shè)計(jì)會(huì)存在一些矛盾，而一般說(shuō)來(lái)，電磁屏蔽的設(shè)計(jì)難度要大于散熱設(shè)計(jì)，所以，在進(jìn)行

8、整機(jī)散熱設(shè)計(jì)時(shí)一定要處理好與電磁兼容設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。也就是說(shuō)，什么位置開通風(fēng)孔/通風(fēng)槽、如何確定孔的面積/數(shù)量、槽的材料，如何處理縫隙等都需要仔細(xì)推敲。好在電信中心使用的通信設(shè)備在電磁兼容方面的要求只等同于通用標(biāo)準(zhǔn)CISPR22中規(guī)定的CLASS A的要求，加之現(xiàn)在的大多數(shù)PCB板都采用多層布線方式，在PCB一級(jí)電磁輻射水平大大降低而抗輻射能力又大大提高，從而使整機(jī)的電磁屏蔽設(shè)計(jì)的難度也大大降低，所以說(shuō)，我們要處理好散熱設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)的關(guān)系不是很困難的。 4、 電氣兼容性設(shè)計(jì)（或信號(hào)完整性設(shè)計(jì)） 電氣兼容性是指設(shè)備內(nèi)部組件之間以及設(shè)備與設(shè)備之間有相互連接關(guān)系的信 號(hào)的電氣特性，如信號(hào)的電平

9、閾值誤差、信號(hào)脈沖的寬度、信號(hào)脈沖的上升沿和下降沿的陡度及過(guò)沖與下沖、信號(hào)的延時(shí)和抖動(dòng)、模擬信號(hào)的失真度、光收發(fā)器件的發(fā)送功率和接受靈敏度及誤碼率、無(wú)線發(fā)射信號(hào)的功率及無(wú)線接收設(shè)備的接收靈敏度等，在一定的誤差范圍內(nèi)能夠“互相容忍”，保證功能的正常實(shí)現(xiàn)。建議對(duì)以下幾方面給予關(guān)注： l 各功能單板對(duì)電源的電壓波動(dòng)范圍、紋波、噪聲、負(fù)載調(diào)整率等方面的要求予以明確，二次電源經(jīng)傳輸?shù)竭_(dá)功能單板時(shí)要滿足上述要求。 l 選用專用器件時(shí)要檢查其電氣性能指標(biāo)是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。 l 對(duì)高速、高頻電路，信號(hào)之間的串?dāng)_問(wèn)題。 l 在研發(fā)階段的調(diào)試、電源拉偏試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)中，要注意檢查信號(hào)經(jīng)傳輸后到達(dá)“對(duì)方”該

10、信號(hào)的接收端時(shí)是否符合“對(duì)方”設(shè)備對(duì)輸入信號(hào)的各方面電氣指標(biāo)要求，即信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后電氣性能發(fā)生的變化是否在“對(duì)方”設(shè)備接受信號(hào)的容差范圍內(nèi)，以排除影響電氣性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性的不良因素。 l 有條件時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘拉偏、抖動(dòng)注入等試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備的容差能力。 上述幾點(diǎn)很重要。我們經(jīng)常在調(diào)試或可靠性試驗(yàn)中忽略這些，往往是在調(diào)試 和試驗(yàn)的過(guò)程中只觀察功能而不去檢查信號(hào)的質(zhì)量，對(duì)信號(hào)已經(jīng)發(fā)生偏差甚至到了“邊緣”狀態(tài)并不清楚，所以就不可能去采取糾偏措施，等設(shè)備投入量產(chǎn)、運(yùn)行后，經(jīng)常碰到原因不明不白的故障，只能通過(guò)反復(fù)換板的辦法來(lái)解決，而換板以后時(shí)間一長(zhǎng)就舊病復(fù)發(fā)。 5、 電磁兼容設(shè)計(jì) 對(duì)電工、電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，電磁兼容

11、包括整機(jī)系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的兼容和設(shè) 備內(nèi)部部件與部件、分系統(tǒng)與分系統(tǒng)之間的兼容。電磁兼容的 問(wèn)題要在開發(fā)工作的前期就給予高度重視，這是因?yàn)椋?、電磁兼容問(wèn)題首先是質(zhì)量問(wèn)題。國(guó)外早就發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代之后，很多電子設(shè)備經(jīng)常發(fā)生讓人摸不著頭腦的質(zhì)量問(wèn)題就是因?yàn)閿?shù)字化電子設(shè)備更容易受各種電磁騷擾（尤其是靜電放電、電脈沖群、雷電感應(yīng)等各種脈沖騷擾）的影響而造成的；我們公司可靠性部在近兩年解決一些老大難問(wèn)題之后也證實(shí)，我們?cè)O(shè)備的故障率及單板返修率居高不下的主要原因之一就是我們的產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)不充分。2、電工電子產(chǎn)品、信息技術(shù)設(shè)備的電磁兼容（及電安全性）都有具體的標(biāo)準(zhǔn)或通用標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)（尤其軍用設(shè)

12、備）已經(jīng)對(duì)這一問(wèn)題越來(lái)越重視，信息產(chǎn)業(yè)部早在九七年就計(jì)劃對(duì)電信產(chǎn)品（包括已經(jīng)在網(wǎng)上運(yùn)行的設(shè)備）實(shí)施電磁兼容強(qiáng)檢強(qiáng)測(cè)制度，只是由于測(cè)試條件一直不成熟而未能執(zhí)行?，F(xiàn)在信息產(chǎn)業(yè)部通信計(jì)量中心的電磁兼容測(cè)試中心已經(jīng)建成并投入使用，國(guó)標(biāo)電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電磁兼容性要求也已經(jīng)由通信計(jì)量中心、中興、華為三家起草完成，今年底將上報(bào)有關(guān)部門審批，隨后就會(huì)執(zhí)行上述制度。在國(guó)際貿(mào)易中，電磁兼容幾乎已成為發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)其他技術(shù)相對(duì)落后的國(guó)家設(shè)立的技術(shù)壁壘。隨著歐盟的89/336 EEC指令于1996年1月1日生效（注：該指令在今年春天進(jìn)行了修改），美、日、澳等國(guó)家和地區(qū)的政府都頒布了相應(yīng)的指令，嚴(yán)禁電磁兼容性不符合它們的標(biāo)準(zhǔn)

13、的產(chǎn)品進(jìn)入這些國(guó)家和地區(qū)的市場(chǎng)或在其范圍內(nèi)生產(chǎn)，所以說(shuō)，電磁兼容性（及安全性）合格標(biāo)志是出口產(chǎn)品的“護(hù)照”。我公司在電信設(shè)備出口方面已經(jīng)走在同行的前面，公司的目標(biāo)是在幾年內(nèi)國(guó)際業(yè)務(wù)達(dá)到50%的分額，所以，我們的電磁兼容工作更加要抓緊開展，決不能因這方面的工作不到位而影響國(guó)際市場(chǎng)的開拓。3、電磁兼容的問(wèn)題如果在產(chǎn)品研發(fā)的早期階段不充分考慮、不精心設(shè)計(jì)，一旦產(chǎn)品成型后，其達(dá)標(biāo)的概率非常小，而且解決問(wèn)題所面臨的困難、需要花費(fèi)的人力和代價(jià)將會(huì)非常大。上述幾點(diǎn)必須首先得到中高層領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)識(shí)和理解，否則電磁兼容工作幾乎推動(dòng)不下去。 電磁兼容設(shè)計(jì)涉及到電路板、結(jié)構(gòu)、電纜、設(shè)備的供電系統(tǒng)和接地體系等各個(gè)方面，非

14、常復(fù)雜，乍看起來(lái)似乎摸不著邊際，其實(shí)，通過(guò)合理的工作方法和在設(shè)計(jì)中遵循電磁兼容設(shè)計(jì)的一些基本準(zhǔn)則，還是可以受到事半功倍的效果的。 下面具體談?wù)劗a(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)的工作內(nèi)容。 l 在產(chǎn)品（包括單板）的規(guī)格說(shuō)明中明確規(guī)定所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品必須達(dá)到的電磁兼容要求，在產(chǎn)品（包括單板）的調(diào)試方案、測(cè)試方案中擬定電磁兼容的測(cè)試項(xiàng)目。 8; 避免使用靜電敏感器件，選用器件的靜電敏感度一般不低于2000V，否則要仔細(xì)推敲、設(shè)計(jì)抗靜電的方法；在結(jié)構(gòu)方面，要實(shí)現(xiàn)良好的地氣連接及采取必要的絕緣或屏蔽措施，提高整機(jī)的抗靜電能力。 l CMOS電路要采取抗閂鎖設(shè)計(jì)。 l CMOS器件中閑置不用的管腳避免懸空，要視器件的特征把閑

15、置不用的管腳接到電源端或地端。 l 各功能單板電源引進(jìn)處要采用合適的濾波電路，盡可能同時(shí)濾除差模噪聲和共模噪聲，噪聲泄放地與工作地特別是信號(hào)地要分開，可考慮使用保護(hù)地；集成電路的電源輸入端要布置去耦電容，以提高抗干擾能力。 l 散熱器要與單板內(nèi)電源地或屏蔽地或保護(hù)地連接（優(yōu)先連接屏蔽地或保護(hù)地），以降低輻射干擾。 l 一般說(shuō)來(lái)各級(jí)電源的輸入、輸出端都要使用合適的濾波電路。 l 機(jī)架、機(jī)框是否需要做屏蔽設(shè)計(jì)？如果做屏蔽設(shè)計(jì)，要分析電磁場(chǎng)的特性，確定使用什么屏蔽材料，確定開孔的大小及數(shù)量，確定搭接方式及搭接材料。 l 明確各單板最高工作頻率，對(duì)工作頻率在160MHz（或200 MHz）以上的器件或

16、部件采取必要的屏蔽措施，以降低其輻射干擾水平和提高抗輻射干擾的能力。 l 使用屏蔽電纜的地方要把電纜的屏蔽層真正利用起來(lái)（與地或屏蔽殼體可靠連接），并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定正確的、行之有效的連接方式。 l 對(duì)復(fù)雜且工作頻率很高或高頻噪聲分量較大的系統(tǒng)，或者對(duì)內(nèi)部兼容性要求高的系統(tǒng)，層、框之間采用金屬絲網(wǎng)或金屬箱體進(jìn)行屏蔽。 l 一般功能單板的電磁干擾發(fā)射和傳導(dǎo)干擾發(fā)射嚴(yán)格達(dá)到A類ITE產(chǎn)品的要求，工控機(jī)、二次電源等盡可能達(dá)到B類ITE產(chǎn)品的要求。 l 整機(jī)結(jié)構(gòu)上要在合適位置設(shè)計(jì)布置靜電泄放插口并予以警示。 l 整機(jī)保護(hù)地連接處不涂絕緣漆，要保證與保護(hù)地電纜可靠的金屬接觸，避免僅僅依靠螺絲螺紋做接地連接的

17、錯(cuò)誤方式。 l PCB板布置要遵循有關(guān)準(zhǔn)則。 6、 抗振動(dòng)設(shè)計(jì) l 在電路單板上對(duì)體積較大、重量大于14克的立式布置器件采取加固措施。 l 對(duì)尺寸較大的單板和因板上元器件高度原因而需要占用兩個(gè)以上槽位，并且板重量較大的單板采用縱、橫硬質(zhì)金屬條進(jìn)行加固（也可采取其它合適的方式），以防翹變。 l 單板插進(jìn)機(jī)框后要有鎖定措施。 l 整機(jī)的門、抽屜要有鎖定措施，要保證在任何傾斜度時(shí)不會(huì)自開（雖然這不是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的要求，但我們的產(chǎn)品現(xiàn)在整機(jī)運(yùn)輸，必須達(dá)到這個(gè)要求）。 l 所有采用螺釘連接的地方要使用彈墊或花墊，以 對(duì)振動(dòng)和沖擊進(jìn)行緩沖。 l 接插件連接處必要時(shí)采取固定措施（使用帶鎖扣的接插件）以防接觸

18、不良或松動(dòng)。 7、 生產(chǎn)性、測(cè)試性和維修性設(shè)計(jì) 可生產(chǎn)性必須得到開發(fā)人員的高度重視，我們是搞產(chǎn)品，不是做實(shí)驗(yàn)，對(duì)于 那些不考慮可生產(chǎn)性或可生產(chǎn)性很差的開發(fā)應(yīng)當(dāng)適時(shí)糾正，必要時(shí)對(duì)相關(guān)責(zé)任人教育、培訓(xùn)。 l 一般說(shuō)來(lái)，生產(chǎn)性至少有如下幾點(diǎn)需要考慮： a、該產(chǎn)品所用到的（關(guān)鍵）元器件在批量生產(chǎn)時(shí)能否保證采購(gòu)到，能否找到替代品而不致于讓供應(yīng)商卡勃子。所以，我們要認(rèn)真制定“核心器件選用大綱”并經(jīng)過(guò)三結(jié)合的嚴(yán)格審查。 b、公司的生產(chǎn)手段、工藝水平、工人的技術(shù)水平、測(cè)試設(shè)備等方面的現(xiàn)時(shí)狀況或經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、改進(jìn)、培訓(xùn)、外協(xié)能否滿足該產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。 c、對(duì)于實(shí)現(xiàn)功能或性能指標(biāo)使用到的硬件調(diào)節(jié)部分要盡可能避免靈敏度過(guò)高的設(shè)計(jì)，并在調(diào)試工藝文件中對(duì)調(diào)試方法和調(diào)試后達(dá)到的狀態(tài)予以明確。 l 任何組裝級(jí)別的硬件都要采取測(cè)試性設(shè)計(jì)和維修性設(shè)計(jì)。 l