可靠性分析課程論文概要

可靠性分析一可靠性概念產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力叫產(chǎn)品的“可靠性”。通俗地說，產(chǎn)品故障出的少，就是可靠性高?？煽啃缘母怕识攘拷锌煽慷龋肦(t)表示。設(shè)N個產(chǎn)品從時刻“0”開始工作，到時刻t失效的總個數(shù)為n(t)，當(dāng)N足夠大時R(t)≈[N－n(t)]/N=N(t)/N這里邊重點是產(chǎn)品、規(guī)定條件、規(guī)定時間、規(guī)定功能。產(chǎn)品：硬件（汽車、電視機等）、流程性材料（水泥、燃油、煤氣等）、軟件（程序、記錄等）、服務(wù)（理發(fā)、導(dǎo)游等）。規(guī)定條件：主要指自然、人文等環(huán)境。規(guī)定時間：指時間段或某一時刻。規(guī)定功能：產(chǎn)品所應(yīng)達到的能力和效果。我們這里講到的產(chǎn)品可靠性通俗說就是我們研制生產(chǎn)的設(shè)備或系統(tǒng)在用戶所處的環(huán)境中使用時實現(xiàn)其應(yīng)有的技戰(zhàn)術(shù)性能的能力。產(chǎn)品的可靠性變化一般都有一定的規(guī)律,其特征曲線如圖1所示,由于其形狀象浴盆,通常稱之為“浴盆曲線”。在實驗和設(shè)計初期,由于產(chǎn)品設(shè)計制造中的錯誤、軟件不完善以及元器件篩選不夠等原因而造成早期失效率高;通過修正設(shè)計、改進工藝、老化元器件、以及整機試驗等,使產(chǎn)品進入穩(wěn)定的偶然失效期;使用一段時間后,由于器件耗損、整機老化以及維護等原因,產(chǎn)品進入了耗損失效期。這就是可靠性特征曲線逞“浴盆曲線”型的原因。在國際上，可靠性起源于第二次世界大戰(zhàn)，1944年納粹德國用V-2火箭襲擊倫敦，有80枚火箭在起飛臺上爆炸，還有一些掉進英吉利海峽。由此德國提出并運用了串聯(lián)模型得出火箭系統(tǒng)可靠度，成為第一個運用系統(tǒng)可靠性理論的飛行器。當(dāng)時美國海軍統(tǒng)計，運往遠東的航空無線電設(shè)備有60％不能工作。電子設(shè)備在規(guī)定使用期內(nèi)僅有30％的時間能有效工作。在此期間，因可靠性問題損失的飛機2.1萬架，是被擊落飛機的1.5倍。由此引起人們對可靠性問題的認識，通過大量現(xiàn)場調(diào)查和故障分析，采取對策，誕生了可靠性這門學(xué)科。上述例子充分證明了裝備可靠性的重要。因此現(xiàn)代武器裝備既要重視性能，又不能輕視可靠性。要獲得裝備的高可靠性，目前通用的做法是采用工程化的方法進行設(shè)計和管理。下面我們介紹一下可靠性工程方法的一些基本內(nèi)容。也是目前我們工作中常用到的內(nèi)容。二常用的可靠性工程技術(shù)指標(biāo)2.1常用參數(shù)實際工作中我們常遇到的表征電子系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性的工程技術(shù)。2.2定義2.2.1可用性產(chǎn)品在任一隨機時刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度?？捎眯缘母怕识攘拷小翱捎枚取?，用“A”表示?？捎眯悦枋隽嗽谝蟮耐獠抠Y源得到保證的前提下，產(chǎn)品在規(guī)定的條件下及隨機規(guī)定的時刻處于可執(zhí)行規(guī)定任務(wù)的能力。2.2.2固有可用度僅與工作時間和修復(fù)性維修時間有關(guān)的一種可用性參數(shù)。其度量方法為：產(chǎn)品的平均故障間隔時間和平均故障間隔時間、平均修復(fù)時間的和之比。2.2.3使用可用度它是與能工作時間和不能工作時間有關(guān)的一種可用性參數(shù)。其度量方法為：產(chǎn)品的能工作時間與能工作時間、不能工作時間的和之比。2.2.4MTBF它是在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品處于規(guī)定狀態(tài)的總數(shù)與這段時間內(nèi)故障總數(shù)之比。它是可修復(fù)產(chǎn)品的一種基本參數(shù)。對于一批產(chǎn)品來說式中ti為第i個產(chǎn)品無故障工作時間，N為產(chǎn)品的數(shù)量。2.2.5故障率（λ）產(chǎn)品工作到t時刻后的單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。它是在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品的故障總數(shù)和壽命單位總數(shù)之比。它是可靠性的一種基本參數(shù)。設(shè)有N個產(chǎn)品，從t＝0時刻開始工作，到時刻t時的失效數(shù)為n(t)，即t時刻殘存產(chǎn)品數(shù)為N－n(t)，又若在（t+Δt）時間內(nèi)，有Δn(t)個產(chǎn)品失效。λ(t)=[n（t+Δt）－n(t)]/[N－n(t)]/Δt=Δn(t)/[N－n(t)]/Δt2.3相互關(guān)系A(chǔ)i=MTBF/(MTBF+MTTR)A0=MTBF/(MTBF+MTTR+MLDT)其中MTTR為平均修復(fù)時間，MLDT為平均維修保障延誤時間。當(dāng)MLDT=0時，A0=Ai，這就說明了合同參數(shù)與實際使用之間的差異，而說明這一點的目的，就是要指出我們在做設(shè)計時除了要考慮合同要求，還應(yīng)該考慮客觀因素的影響，才能保證生產(chǎn)出來的產(chǎn)品真正滿足實際使用要求。三產(chǎn)品可靠性模型3.1建立可靠性模型的作用和意義(a)建立系統(tǒng)可靠性模型是可靠性工程重要工作項目，是可靠性保證大綱規(guī)定的必做的工作項目之一。(b)建立系統(tǒng)可靠性工作模型是可靠性指標(biāo)與維修性指標(biāo)分配和預(yù)測的基礎(chǔ)工作。(c)建立系統(tǒng)可靠性模型是可靠性分析、估算、評價的工具。(d)建立系統(tǒng)可靠性模型是對系統(tǒng)最佳方案權(quán)衡和優(yōu)化設(shè)計首先應(yīng)完成的工作項目。(e)建立系統(tǒng)可靠性模型是進行可靠性設(shè)計重要措施之一。如冗余設(shè)計等。3.2建立可靠性模型的步驟3.2.1產(chǎn)品定義（1）確定產(chǎn)品的任務(wù)和工作模式。（2）規(guī)定產(chǎn)品及其分系統(tǒng)的性能參數(shù)及容許界限。（3）確定產(chǎn)品的物理界限及功能接口。（4）確定構(gòu)成任務(wù)失效的條件。（5）確定產(chǎn)品的壽命剖面和任務(wù)剖面。對于建立基本可靠性模型，一定要明白：產(chǎn)品組成和框圖結(jié)構(gòu)、壽命剖面。3.2.2確定產(chǎn)品可靠性框圖根據(jù)產(chǎn)品定義的結(jié)果，將產(chǎn)品組成部分按工作流程以框圖的形式類別表示出來。對于基本可靠性模型，框圖都是串聯(lián)的。如接收機框圖從工作原理講，本振只與混頻器相連，電源與所有電路都相連，這里不考慮這些。在此需要補充說明的是：特別是對于大型復(fù)雜的系統(tǒng)，隨著設(shè)計工作的從系統(tǒng)級向分系統(tǒng)級、設(shè)備級等等逐級展開，就要在各個設(shè)計級別繪制一系列的可靠性框圖，這些可靠性框圖是越畫越細，而且要有可追溯性。主要是便于預(yù)測工作由器件級向上開展，便于考慮模塊級備份和冗余。編制可靠性框圖應(yīng)注意：(1)框圖的標(biāo)題和任務(wù)。(2)方框的順序和標(biāo)志。(3)列出未記入模型的單元。3.2.3確定計算產(chǎn)品可靠性的數(shù)學(xué)模型對于有m個單元所組成的系統(tǒng)來說，其可靠性數(shù)學(xué)模型可以表示為：當(dāng)各單元的可靠度都符合指數(shù)規(guī)律時，可因而有以上述接收機為例，其可靠性數(shù)學(xué)模型為：當(dāng)組成系統(tǒng)的分系統(tǒng)可靠度相同且服從指數(shù)分布時，λ為常數(shù)，則：目前講到的可靠性模型適用于壽命服從指數(shù)分布的電子設(shè)備，而機械零部件為次要成分，其失效率也低。對于目前生產(chǎn)的電子設(shè)備，可忽略不計。如果產(chǎn)品既有電子元器件又有機械零部件，且為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，則其可靠性數(shù)學(xué)模型為軟件可靠性未納入系統(tǒng)可靠性模型時，應(yīng)假設(shè)整個軟件是完全可靠的。四產(chǎn)品可靠性預(yù)測與分配4.1可靠性預(yù)測的目的(a)可靠性預(yù)測作為一種設(shè)計工具，可從可靠度、性能、費用、研制周期等選擇最佳的設(shè)計方案。其中早期預(yù)測著重于方案的現(xiàn)實性和可能性研究。(b)選擇了某一設(shè)計方案后，通過可靠性預(yù)測可發(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，以便及時改進。(c)通過可靠性預(yù)測可以推測產(chǎn)品能否達到規(guī)定的可靠性要求。(d)可靠性預(yù)測結(jié)果不僅用于指導(dǎo)設(shè)計，還可以為轉(zhuǎn)階段決策提供信息，為可靠性試驗、制定維修計劃、保障性分析、安全性分析、生存性評價等提供信息。后期預(yù)測著重于對設(shè)備的可靠性進行評價或提出硬件改進建議。(e)為可靠性指標(biāo)的分配和可靠性保障設(shè)計提供依據(jù)?？煽啃灶A(yù)測可以發(fā)現(xiàn)哪些元件或子系統(tǒng)是造成系統(tǒng)失效的主要因素；找出薄弱環(huán)節(jié)之后，便可采取必要的改進措施；以減小整個系統(tǒng)的失效率，提高系統(tǒng)的可靠性。

可靠性預(yù)測是可靠性設(shè)計的重要內(nèi)容，它包括元件可靠性預(yù)測和系統(tǒng)可靠性預(yù)測。下面分別加以討論。4.2元件可靠度預(yù)測

預(yù)測系統(tǒng)的可靠度通常是以預(yù)測系統(tǒng)中的元件或組件的可靠度為基礎(chǔ)。所有元件的可靠度確定以后，把這些元件的可靠度適當(dāng)?shù)亟M合起來就可以得出系統(tǒng)的可靠度。因此，首先碰到的問題就是如何預(yù)測元件的可靠度。

第一步是確定基本失效率G

它是在一定的使用(或試驗)條件和環(huán)境條件下得出的。設(shè)計時可以從可靠性手冊上查得，也可通過可靠性試驗求得。第二步是確定應(yīng)用失效率即元件在現(xiàn)場使用中的失效率。從兩方面得到：1)根據(jù)不同的應(yīng)力環(huán)境，對基本失效率乘上適當(dāng)?shù)男拚蜃?系數(shù))得到，2)直接采用從實際現(xiàn)場應(yīng)用中收集到的失效率數(shù)據(jù)。這里提出失效率的修正系數(shù)KF值，因此應(yīng)用失效率為：

第三步是確定元件的可靠度。大多數(shù)可靠度預(yù)測時采用都是指數(shù)分布。即：現(xiàn)有的絕大多數(shù)失效率數(shù)據(jù)都是基于常失效率的假設(shè)推出的，或者至少是基于這個假設(shè)預(yù)測的。這種假設(shè)是基本符合實際情況的，因為大多設(shè)備（系統(tǒng)）線路都經(jīng)過老化等試驗，工作在偶然失效期，失效率基本上保持常數(shù)。

4.3系統(tǒng)可靠性預(yù)測

系統(tǒng)(或線路)的可靠性是與元件的數(shù)量、元件的可靠性以及元件之間的相互關(guān)系有關(guān)?？煽啃灶A(yù)測方法有；(a)回歸分析法；(b)相似產(chǎn)品法；(c)相似電路法；(d)專家評分法；(e)有源單元估算法；(f)元件計數(shù)法；(g)應(yīng)力分析法；(f)蒙特卡洛法。這里重點介紹元件計數(shù)法、應(yīng)力分析法、蒙特卡洛法4.3.1計數(shù)法元器件計數(shù)可靠性預(yù)測法是根據(jù)設(shè)備中各類元器件的數(shù)量及該元器件通用失效率、元器件質(zhì)量等級和設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境類別來估算設(shè)備可靠性的一種方法，其計算設(shè)備失效率的數(shù)學(xué)表達式為：式中λ設(shè)備———設(shè)備總失效率λGi———第i種元器件的通用失效率πQi———第i種元器件的通用質(zhì)量系數(shù)Ni———第i種元器件的數(shù)量n———設(shè)備所有元器件的種類數(shù)目其基本程序為：(a)列出設(shè)備的元器件種類及每類元器件的數(shù)量，質(zhì)量等級和設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境類別。(b)從相關(guān)資料中，查找各類元器件在該環(huán)境類別下的通用失效率λG，以及通用質(zhì)量系數(shù)πQ。(c)將前兩個步驟所得的數(shù)據(jù)填入失效率預(yù)測表內(nèi)。(d)按公式分別計算不同應(yīng)用環(huán)境下的設(shè)備失效率，假設(shè)某系統(tǒng)由兩臺設(shè)備組成，一臺使用在室外固定，一臺使用在地面移動，那在計算該系統(tǒng)的失效率時，應(yīng)分別計算設(shè)備1和設(shè)備2的失效率。再假設(shè)兩臺設(shè)備一模一樣，那計算設(shè)備1和設(shè)備2的失效率時，公式中的λG取值不同，具體參數(shù)首先確定使用環(huán)境類型，再根據(jù)類型代號從相關(guān)材料中查找對應(yīng)器件的λG值。其余參數(shù)相同。(e)將組成設(shè)備的各部分失效率相加，計算整個設(shè)備系統(tǒng)的總失效率及其MTBF等可靠性指標(biāo)。4.3.2應(yīng)力分析法元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)測法是通過分析元器件所承受的應(yīng)力，計算元器件在該應(yīng)力條件下的工作失效率來預(yù)測設(shè)備的可靠性。元器件在不同應(yīng)力條件下其失效率不同。在普通場合，這些應(yīng)力主要的是電應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力。元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)測法較全面的考慮了電、熱和其它氣候、機械環(huán)境應(yīng)力等因素對元器件失效率的影響。通過分析設(shè)備上各元器件工作時所承受的電、熱應(yīng)力及了解元器件的質(zhì)量等級，承受電、熱應(yīng)力的額定值，工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和應(yīng)用環(huán)境類別等，利用手冊給出的數(shù)值、圖表和失效率模型，來計算各元器件的工作失效率，由此預(yù)測電子設(shè)備的可靠性水平。其預(yù)測的主要程序：(a)分析各元器件的應(yīng)用方式，工作環(huán)境溫度及其它環(huán)境應(yīng)力，以及負荷電應(yīng)力比等工作應(yīng)力數(shù)據(jù)。(b)匯編設(shè)備的元器件詳細清單，清單內(nèi)容包括：元器件名稱，型號規(guī)格，數(shù)量，產(chǎn)品標(biāo)準，性能額定值及有關(guān)的設(shè)計、工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作應(yīng)力數(shù)據(jù)等。在采用應(yīng)力分析進行預(yù)測時，大多數(shù)元器件種類分別有基本失效率模型和工作失效率模型?；臼誓Ｐ鸵话憧紤]溫度和電應(yīng)力對元器件失效率影響。而工作失效率模型除反映溫度、電應(yīng)力等基本因素外，還包括其它多種的對元器件失效率影響的因素。一般（集成電路除外）表示為：反映電應(yīng)力（S）、溫度應(yīng)力（T）影響的基本失效率（λb）與其余影響失效率的質(zhì)量因子、環(huán)境因子、設(shè)計、工藝、結(jié)構(gòu)因子以及應(yīng)用因子（π系數(shù)）等一系列修正因子的乘積。集成電路失效率計算除考慮上述因子外，還應(yīng)考慮結(jié)溫、電路復(fù)雜度、封裝復(fù)雜度等因子。4.3.3蒙特卡洛法（montecarlo)

蒙特卡洛法是用隨機抽樣方法，根據(jù)可靠性框圖進行可靠性預(yù)測。概率論中大數(shù)法則表明：樣本量越大，樣本均值作為母體均值的估計就越精確。從隨機數(shù)表中任意抽取一組隨機數(shù)，均在0.01到1.00之間，將這些隨機數(shù)分別與系統(tǒng)中各單元無故障工作概率Pi或可靠度Ri進行比較，并規(guī)定：某一隨機數(shù)等于或小于Pi，則第i單元是工作的，否則應(yīng)定為失效。對系統(tǒng)中每個單元都進行這樣的比較，以確定系統(tǒng)中每個單元的工作狀態(tài)，再根據(jù)系統(tǒng)的邏輯圖來確定系統(tǒng)是成功或失敗，如此相當(dāng)于完成一次對系統(tǒng)的隨機抽樣試驗。這樣的試驗次數(shù)n至少要統(tǒng)計100次，然后統(tǒng)計系統(tǒng)完成任務(wù)的次數(shù)s，則系統(tǒng)可靠度預(yù)測值可以用下式估計：現(xiàn)用下述例子來說明具體方法：

設(shè)某系統(tǒng)的可靠性方框圖如圖所示。假設(shè)單元A,B,C的可靠度分別為R1、R2、R3。其中第1個單元A(設(shè)R1=0.80)，用計算機的隨機數(shù)發(fā)生器輸入一個隨機數(shù),根據(jù)第1個隨機數(shù)來決定這個單元的成功或失效。如果這個隨機數(shù)小于0.7999,則表示該單元正常,若在0.8~0.9999,則表示單元失效。

根據(jù)邏輯圖，要把另1個隨機數(shù)輸入到框圖的下一單元B,新的隨機數(shù)便決定這一單元的成功或失效。

如果對單元A發(fā)出的隨機數(shù)大于0.80,但他還有并聯(lián)單元C,給單元C發(fā)出一個隨機數(shù),與該單元的可靠度比較后,確定其成功或失效。若失效,而系統(tǒng)又沒有其他并聯(lián)單元了,則表示系統(tǒng)失效。上述過程一結(jié)束,記下失效次數(shù)。若成功,則又對單元B發(fā)出新的隨機數(shù),與B單元可靠度比較成功后,則表示系統(tǒng)成功,記下成功次數(shù)。這個過程要反復(fù)進行到要求的試驗次數(shù)N為止。進行模擬的次數(shù)越多,預(yù)計值越接近實際情況。下圖為蒙特卡洛法的計算機程序流程圖。

4.4可靠性分配

可靠性分配是把系統(tǒng)規(guī)定的可靠性指標(biāo)按照一定的程序分給分系統(tǒng)及元件，以便復(fù)雜問題的處理得以簡化并便于檢驗，它是一個由整體到局部，由大到小，由上到下的過程。要進行分配，就必須明確目標(biāo)函數(shù)與約束條件。隨著目標(biāo)函數(shù)和約束條件的不同，可靠性分配的方法也因之而異。有的以可靠度指標(biāo)為約束條件，給出系統(tǒng)要求達到的可靠度值，而以在這一限制下，使重量、成本等其它的系統(tǒng)參數(shù)盡可能小。作為目標(biāo)函數(shù)，有的則給出重量、成本等的界限值，要求作出使系統(tǒng)可靠度盡可能高的分配．一般應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的用途，視哪一些參數(shù)應(yīng)予優(yōu)先考慮來選定設(shè)計方法。在優(yōu)化設(shè)計上實際為帶約束的優(yōu)化問題。

可靠性分配有許多方法，隨掌握可靠性資料的多少、設(shè)計的階段以及目標(biāo)和限制條件的不同而不同。幾種常用的方法：等分配法、再分配法、比例分配法、綜合評分法。五可靠性設(shè)計技術(shù)5.1降額設(shè)計所謂降額設(shè)計,就是使元器件運用于比額定值低的應(yīng)力狀態(tài)的一種設(shè)計技術(shù)。為了提高元器件的使用可靠性以及延長產(chǎn)品的壽命,必須有意識地降低施加在器件上的工作應(yīng)力(如:電、熱、機械應(yīng)力等),降額的條件及降額的量值必須綜合確定,以保證電路既能可靠地工作,又能保持其所需的性能。降額的措施也隨元器件類型的不同而有不同的規(guī)定,如電阻降額是降低其使用功率與額定功率之比;電容降額是使工作電壓低于額定電壓;半導(dǎo)體分立器件降額是使功耗低于額定值;接觸元件則必須降低張力、扭力、溫度和降低其它與特殊應(yīng)用有關(guān)的限制。電子元器件的降額,通常有一個最佳的降額范圍,在這個范圍內(nèi),元器件的工作應(yīng)力的變化對其失效率有顯著的影響,設(shè)計也易于實施,而且不需要設(shè)備在重量、體積、成本方面付出太大的代價。因此,應(yīng)根據(jù)元器件的具體應(yīng)用情況來確定適當(dāng)?shù)慕殿~水平。因為若降額不夠則元器件的失效率會比較大,不能達到可靠性要求;反之,降額過度,將使設(shè)備的設(shè)計發(fā)生困難,并將在設(shè)備的重量、體積、成本方面付出較大的代價,還可能使元器件數(shù)量產(chǎn)生不必要的增加,這樣反而會使設(shè)備可靠性下降。降額的等級分為三個等級,分別稱為Ⅰ級降額、Ⅱ級降額和Ⅲ級降額。Ⅰ級降額是最大降額,超過它的更大降額,元器件的可靠性增長有限,而且使設(shè)計難以實現(xiàn)。Ⅰ級降額適用于下述情況:設(shè)備的失效將嚴重危害人員的生命安全,可能造成重大的經(jīng)濟損失,導(dǎo)致工作任務(wù)的失敗,失敗后無法維修或維修在經(jīng)濟上不合算等。Ⅱ級降額指元器件在該范圍內(nèi)降額時,設(shè)備的可靠性增長是急劇的,且設(shè)備設(shè)計較Ⅰ級降額易于實現(xiàn)。Ⅱ級降額適用于設(shè)備的失效會使工作水平降級或需支付不合理的維修費用等場合。Ⅲ級降額指元器件在該范圍內(nèi)降額時設(shè)備的可靠性增長效益最大,且在設(shè)備設(shè)計上實現(xiàn)困難最小,它適用于設(shè)備的失效對工作任務(wù)的完成影響小、不危及工作任務(wù)的完成或可迅速修復(fù)的情況。5.2熱設(shè)計由于現(xiàn)代電子設(shè)備所用的電子元器件的密度越來越高,這將使元器件之間通過傳導(dǎo)、輻射和對流產(chǎn)生熱耦合。因此,熱應(yīng)力已經(jīng)成為影響電子元器件失效率的一個最重要的因素。對于某些電路來說,可靠性幾乎完全取決于熱環(huán)境。所以,為了達到預(yù)期的可靠性目的,必須將元器件的溫度降低到實際可以達到的最低水平。有資料表明:環(huán)境溫度每提高10℃,元器件壽命約降低1/2。這就是有名的“10℃法則”。熱設(shè)計包括散熱、加裝散熱器和制冷三類技術(shù),這里筆者主要談一談散熱技術(shù)。應(yīng)用中常采用的方法:第一種是傳導(dǎo)散熱方式,可選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料來制造傳熱元件,或減小接觸熱阻并盡量縮短傳熱路徑。第二種是對流散熱方式,對流散熱方式有自然對流散熱和強迫對流散熱兩種方式。自然對流散熱應(yīng)注意以下幾點:●設(shè)計印制板和元器件時必須留出多余空間;●安排元器件時,應(yīng)注意溫度場的合理分布;●充分重視應(yīng)用煙囪撥風(fēng)原理;●加大與對流介質(zhì)的接觸面積。強迫對流散熱方式可采用風(fēng)機(如計算機上的風(fēng)扇)或雙輸入口推拉方式(如帶換熱器的推拉方式)。第三種是利用熱輻射特性方式,可以采用加大發(fā)熱體表面的粗糙度、加大輻射體周圍的環(huán)境溫差或加大輻射體表面的面積等方法。在熱設(shè)計中,最常采用的方法是加散熱器,其目的是控制半導(dǎo)體的溫度,尤其是結(jié)溫Tj,使其低于半導(dǎo)體器件的最大結(jié)溫TjMAX,從而提高半導(dǎo)體器件的可靠性。半導(dǎo)體器件和散熱器安裝在一起工作時的等效熱路圖如圖2所示。圖中各參數(shù)的含義如下:RTj—半導(dǎo)體器件內(nèi)熱阻,℃/W;RTc—半導(dǎo)體器件與散熱器界面之間的界面熱阻,℃/W;RTf—散熱器熱阻,℃/W;Tj—半導(dǎo)體器件結(jié)溫,℃;Tc—半導(dǎo)體器件殼溫,℃;Tf—散熱器溫度,℃;Ta—環(huán)境溫度,℃;Pc—半導(dǎo)體器件使用功率,W。根據(jù)圖2,散熱器的熱阻RTf應(yīng)為:RTf=(RTj-Ta)/PC-RTJ-RTc散熱器熱阻RTf是選擇散熱器的主要依據(jù)。Tj、RTj是半導(dǎo)體器件提供的參數(shù),Pc是設(shè)計要求的參數(shù),RTc可以從熱設(shè)計專業(yè)書籍中查到。下面介紹一下散熱器的選擇。(1)自然冷卻散熱器的選擇首先按以下式子計算總熱阻RT和散熱器的熱阻RTf,即:RT=(TJmax-Ta)/PcRTf=RT-RTj-RTc算出RT和RTf之后,可根據(jù)RTf和Pc來選擇散熱器。選擇時,根據(jù)所選散熱器的RTf和Pc曲線,在橫坐標(biāo)上查出已知Pc,再查出與Pc對應(yīng)的散熱器的熱阻R′Tf。按照R′Tf≤RTf的原則選擇合理的散熱器即可。(2)強迫風(fēng)冷散熱器的選擇強迫風(fēng)冷散熱器在選擇時應(yīng)根據(jù)散熱器的熱阻RTf和風(fēng)速v來選擇合適的散熱器和風(fēng)速。5.3冗余設(shè)計冗余設(shè)計是用一臺或多臺相同單元(系統(tǒng))構(gòu)成并聯(lián)形式,當(dāng)其中一臺發(fā)生故障時,其它單元仍能使系統(tǒng)正常工作的設(shè)計技術(shù)。冗余按特點分為熱冗余儲備和冷冗余儲備;按冗余程度分,有兩重冗余、三重冗余、多重冗余;按冗余范圍分,有元器件冗余、部件冗余、子系統(tǒng)冗余和系統(tǒng)冗余。這種設(shè)計技術(shù)通常應(yīng)用在比較重要,而且對安全性及經(jīng)濟性要求較高的場合,如鍋爐的控制系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、飛行器的控制系統(tǒng)等。5.4電磁兼容性設(shè)計電磁兼容性設(shè)計也就是耐環(huán)境設(shè)計。首先要明白什么是電磁兼容性問題,電磁兼容性問題可以分為兩類:一類是電子電路、設(shè)備、系統(tǒng)在工作時由于相互干擾或受到外界的干擾使其達不到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo);另一類電磁兼容性問題就是設(shè)備雖然沒有直接受到干擾的影響,但不能通過國家的電磁兼容標(biāo)準,如計算機設(shè)備產(chǎn)生超過電磁發(fā)射標(biāo)準規(guī)定的極限值,或在電磁敏感度、靜電敏感度上達不到要求。為了使設(shè)備或系統(tǒng)達到電磁兼容狀態(tài),通常采用印制電路板設(shè)計、屏蔽機箱、電源線濾波、信號線濾波、接地、電纜設(shè)計等技術(shù)。印制電路板在設(shè)計布置時,應(yīng)注意以下幾點:●各級電路連接應(yīng)盡量縮短,盡可能減少寄生耦合,高頻電路尤其要注意;●高頻線路應(yīng)盡量避免平行排列導(dǎo)線以減少寄生耦合,更不能象低頻電路那樣把連線扎成一束;●設(shè)計各級電路應(yīng)盡量按原理圖順序排列布置,避免各級電路交叉排列;●每級電路的元器件應(yīng)盡量靠近各級電路的晶體管和電子管,不應(yīng)分布得太遠,應(yīng)盡量使各級電路自成回路;●各級均應(yīng)采用一點接地或就近接地,以防止地電流回路造成干擾,應(yīng)將大電流地線和小電流回路的地線分開設(shè)置,以防止大電流流進公共地線產(chǎn)生較強的耦合干擾;●對于會產(chǎn)生較強電磁場的元件和對電磁場感應(yīng)較靈敏的元件,應(yīng)垂直布置、遠離或加以屏蔽以防止和減小互感耦合;●處于強磁場中的地線不應(yīng)構(gòu)成閉合回路,以避免出現(xiàn)地環(huán)路電流而產(chǎn)生干擾;●電源供電線應(yīng)靠近(電源的)地線并平行排列以增加電源濾波效果。5.5漂移設(shè)計技術(shù)產(chǎn)生漂移的原因主要是元器件的參數(shù)標(biāo)準值與實際數(shù)值存在公差、環(huán)境條件變化對元器件性能產(chǎn)生影響或是使用在惡劣環(huán)境而導(dǎo)致元件性能退化等因素。如果元器件參數(shù)值發(fā)生的漂移超出其設(shè)計參數(shù)范圍,就會使設(shè)備或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能。漂移設(shè)計是通過在設(shè)計階段根據(jù)線路原理寫出特性方程,然后通過收集元器件的分布參數(shù)來計算它們的漂移范圍以使漂移結(jié)果處在設(shè)計范圍內(nèi)來保證設(shè)備正常使用的一種設(shè)計方法。5.6互連可靠性設(shè)計由于在大部分電子產(chǎn)品中都有接插件,為了降低這些連接部分的故障率,因此有必要進行互連可靠性設(shè)計,常采用的方法有:●注意接插件的選型,印制電路板應(yīng)盡量采用大板或多層板,以減少接插點;●盡量減少可拔插點,以提高其可靠性,重要部位可采用冗余設(shè)計;●兩個插頭同時相對時,應(yīng)采用將其中一個固定,另一個浮動的方式,來保證對準和拔插;●采用機械固定方式;●對于常插拔的部件,最好設(shè)計成單面走線;●連接空間應(yīng)進行有序分割;●饋線和地線應(yīng)隱蔽安裝。六可靠性分析應(yīng)用――CAN總線的冗余設(shè)計及可靠性研究6.1無冗余的CAN總線系統(tǒng)及其可靠性典型的無冗余CAN總線控制系統(tǒng)主要有兩種形式，示意圖分別如圖所示。它們都是由微控制器、CAN控制器、CAN驅(qū)動器以及CAN總線等組成的，它們之間的差別主要是在于選擇CAN控制器的種類不同，一種選擇的是獨立的CAN控制器，另一種選擇的是自帶有CAN控制器的微控制器。下圖所示的是最經(jīng)典的采用獨立CAN控制器的的控制系統(tǒng)。下圖所示內(nèi)容則是采用的自帶CAN控制器的微處理器的CAN總線控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由于元器件集成度較高，能省去一些接口電路的設(shè)計，因此其可靠性也相對較高。根據(jù)無冗余CAN總線系統(tǒng)的特性分析后對其建立可靠性模型，如下圖所示。模型中代表傳輸導(dǎo)線的單位失效率，L代表傳輸導(dǎo)線的總長，則傳輸導(dǎo)線的總失效率為L，代表是總線收發(fā)器的失效率，代表的是總線控制器的失效率，代表的為微處理器的失效率，則根據(jù)串聯(lián)原理可以得出非冗余CAN總線系統(tǒng)的可靠度為：系統(tǒng)整體失效率為：平均無故障時間為：6.2有冗余的CAN總線系統(tǒng)及其可靠性由于CAN總線的高可靠性、結(jié)構(gòu)簡單等各種優(yōu)點使得CAN總線在各個工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的推廣應(yīng)用，但在航空航天以及船舶、兵器等軍工行業(yè)，由于產(chǎn)品工作環(huán)境異常惡劣，因此對CAN總線控制的可靠性造成了很大威脅。根據(jù)實際工業(yè)現(xiàn)場的故障總結(jié)，CAN總線控制中常見的故障如傳輸介質(zhì)的破壞、接頭連接不牢固以及總線控制器和CAN發(fā)送器失效等故障都會造成CAN總線控制系統(tǒng)可靠性的嚴重下降，如果不能很好解決這些問題，將會使系統(tǒng)失效甚至?xí)?dǎo)致無法估計的嚴重后果，而采用冗余設(shè)計是解決這一問題的有效方法。根據(jù)CAN總線實際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的故障程度，可以采用不同級別的冗余設(shè)計來提高系統(tǒng)的可靠性。一般來說，比較常用的典型冗余設(shè)計方案有四種：微處理器級別的冗余、總線控制器級別的冗余、總線驅(qū)動器級別的冗余以及總線級別的冗余。以下將對這四種級別的冗余設(shè)計方案及其可靠性進行研究。（1）總線驅(qū)動器級別的冗余控制系統(tǒng)及其可靠性CAN總線驅(qū)動器級冗余系統(tǒng)的原理示意圖如圖所示，該系統(tǒng)是由兩條總線傳輸導(dǎo)線、兩個總線驅(qū)動器、一個CAN總線控制器級別的微處理器構(gòu)成。兩個總線驅(qū)動器分別于CAN-A與CAN-B相連，總線控制器通過一模擬開關(guān)判斷電路與兩個總線驅(qū)動器相連，在數(shù)據(jù)發(fā)送階段，兩個總線驅(qū)動器都能同時收到CAN控制器的數(shù)據(jù)傳送，在其中一個總線驅(qū)動器發(fā)生失效時，經(jīng)過模擬開關(guān)處理，總線上的報文仍能經(jīng)過另一個總線驅(qū)動器傳送給總線控制器。對系統(tǒng)進行原理分析，總線驅(qū)動器并聯(lián)后又與其他元器件串聯(lián)，建立可靠性模型，如下圖所示。這是一個典型的串并聯(lián)混合系統(tǒng)，根據(jù)第二章中的可靠性理論知識，可以得出驅(qū)動器級別的冗余系統(tǒng)的可靠度為：（2）總線控制器級別的冗余控制系統(tǒng)及其可靠性總線控制器級別的冗余控制系統(tǒng)的設(shè)計原則是由兩條CAN傳輸導(dǎo)線、兩個CAN總線收發(fā)器以及兩個CAN總線控制器構(gòu)成的，其系統(tǒng)原理圖如圖所示。兩個CAN總線控制器通過微處理器CPU上的兩個端口與中斷來實現(xiàn)同時控制。根據(jù)軟件功能設(shè)計的不同，可以使該冗余系統(tǒng)具備有熱備份與冷備份兩種功能，而實現(xiàn)這兩種備份功能的硬件是相同的。根據(jù)系統(tǒng)原理進行分析后對總線控制器級別的冗余控制系統(tǒng)建立可靠性模型，如下圖所示。這是一個典型的串并聯(lián)混合系統(tǒng)，同理根據(jù)第二章中的可靠性理論知識，可以得出總線控制器級別的冗余系統(tǒng)的可靠度為：（3）系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)及其可靠性系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)的設(shè)計思想是將兩套由總線控制器、收發(fā)器、傳輸導(dǎo)線、處理器CPU組成的完整獨立CAN控制系統(tǒng)并聯(lián)起來，下圖所示是即為典型的系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)也可以設(shè)計為冷備份和熱備份兩種工作狀態(tài)。冷備份是指其中一套系統(tǒng)工作時另一套系統(tǒng)處于關(guān)機狀態(tài)，一旦工作的系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則啟動另一套系統(tǒng)，該種工作模式耗能小，易于實現(xiàn)，但由于啟動另一套系統(tǒng)需要一定時間，實時性較差；熱被備份工作模式是指將兩套系統(tǒng)分別設(shè)置為主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)，它們同時工作，能夠相互檢測，當(dāng)主系統(tǒng)出現(xiàn)故障，經(jīng)過切換模塊切換，本系統(tǒng)就是取得總線的控制權(quán)，代替主系統(tǒng)進行對整個系統(tǒng)的監(jiān)控，此種工作模式實時性較高，使用也比較廣泛。根據(jù)以上的所述的工作原理，對系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)建立可靠性模型，如下圖所示。這是一種典型并—串聯(lián)系統(tǒng)，由兩套子系統(tǒng)并聯(lián)而成，每套子系統(tǒng)又由各元器件串聯(lián)而成根據(jù)可靠性理論知識，模型進行簡化等效，得出系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)的可靠度為：平均無故障工作時間MTBF為：根據(jù)式（6-9）可以明顯得出系統(tǒng)級別的冗余系統(tǒng)平均無故障時間是無冗余時系統(tǒng)平均無故障時間的1.5倍，所以系統(tǒng)的可靠度得到顯著提高。各冗余級別系統(tǒng)的可靠性對比研究根據(jù)對以上四種級別的冗余系統(tǒng)的可靠性結(jié)果，用以下方法對比它們之間的可靠度大小。由以上分析，顯而易見，各級別冗余系統(tǒng)的可靠度的大小排列順序如下：四種不同級別的冗余控制系統(tǒng)除了在自身可靠性高低方面存在著一定的差異外，在成本、硬件復(fù)雜程度、軟件編程難度及通信即時性方便也都有很大的差別。總線控制器級別的冗余系統(tǒng)由于在總線控制器與兩個驅(qū)動器之間需要設(shè)計一個切換開關(guān)模塊，該模塊具備有檢測故障與切換總線控制的作用，但其本身設(shè)計相對復(fù)雜，而且還影響系統(tǒng)的通信即時性，如果出現(xiàn)故障也會導(dǎo)致系統(tǒng)的無法運行，這將加大系統(tǒng)的故障率。系統(tǒng)級別的冗余控制系統(tǒng)由于采用兩套CAN控