主页 > 为宝

可靠性不是测试出来的,是设计出来的!

时间:2019-10-04 来源:电影小钻风

来源:嘉峪检测网

产品可靠性是设计出来的,生产出来的,管理出来的       ——钱学森


 

一、电路是设计出来的。不要做个画图,要做个设计师


 

一个电解电容紧挨着散热片焊接的,与电解电容相关联的那部分电路参数容易漂,现象和结果就是机器参数不稳; 绿色发光二极管的色调不一致,外观看起来不美观,发光管都有个波长的要求,即使都是绿光,波长的细微差别也会导致色差,而设计文件上并没对发光管的波长做出规定; 某块电路工作不好,发现将PCB板信号线的一个电感换成磁珠就好了,于是就改了BOM单,电路板上趴着个磁珠大肆生产了。常规理解看来,磁珠似乎和电感的特性是相同的,但事实上磁珠表现的是一个随频率变化的电阻特性,是消耗性的,而电感是储能特性,是储存性的削峰填谷。即使从实际结果来看,似乎更换器件后没问题,但其实并没有搞通真正的器件机理。病虽然莫名其妙的好了,但病毒的隐患仍在。

 

还有很多类似的问题,比如散热,似乎热设计只和机箱内温度有关,却忽视了一个致命的问题,温度系数,即使温度不够高到烫手的地步,温度的升高是否会导致温漂,温漂后的参数值是否会将器件的特征参数推到电路正常工作的边缘? 

比如降额,几乎所有工程师都说“我们降额了,基本降了50%,余量是足够的,这个问题肯定没有”。那么降额时,所有该降额的参数都降到了安全范围吗?同一类功能的器件,换了不同封装形式或生产工艺的时候,一样的降额系数能降出一样的效果来吗?在特定位置、特定电路下的器件,明确哪个特定参数该降的更大一点吗? 


还有电磁兼容、振动、可维修性、测试等等多方面的问题,知己知彼,百战不殆,在实际的考察中,发现既不知己、也不知彼的设计太多,不知己是不知道自己不知道什么,不知彼是不知道设计所面对的对象的诸多参数、条件、工艺、特性,而恰恰是由此引出了太多的技术问题。

 

二、电子可靠性设计原则


 

电子可靠性的设计原则包括:RAMS定义与评价指标、电子设备可靠性模型、系统失效率的影响要素、电子产品可靠性指标、工作环境条件的确定、系统设计与微观设计、过程审查与测试、设计规范与技术标准。 

 

钱学森的水平和优势是什么?电子、机械、软件、测试、管理?

都不是,是系统方法论和工程计算。


当我们要决策一个电路的器件选型的时候,如果有一个基本公式,直接告诉了我们应该重视哪个指标,器件选型和电路设计就遵循规范,自然可以提升我们的可靠性设计了。

 

例如一个插座电缆,上面要通过10A的电流,是用2根8A的导线并联分流好呢?还是用一根14A的电缆好呢?通过可靠性模型可以轻松得到答案。 

驱动一个发光管,是用三极管好呢,还是用运放好呢?

 

电子产品的可靠性设计需要注意以下基本准确:

1、产品结构和电路应尽量简便。

2、尽量选用成熟的结构和典型的电路。

3、结构要简单化、积木化、插件化。

4、如采用新电路,应注意标准化。

5、采用新技术要充分注意继承性。

6、尽量采用数字电路。

7、尽量采用集成电路。

8、逻辑电路要进行简化设计。

9、对性能指标、可靠性指标要综合考虑。

10、应尽量采用传统工艺和习惯的操作方法。

11、应不断采用新的可靠性设计技术。

12、在电子产品中,常采用的可靠性设计技术包括元器件的降额设计、冗余化设计、热设计、电磁兼容设计、维修性设计、漂移设计、容错设计与故障弱化设计等,有些还包括软件的可靠性设计。

 

三、提高电路可靠性设计方法


 

电路可靠性设计方法包括降额设计(降额参数和降额因子)、热设计(热设计计算、热设计测试、热器件选型)、电路安全性设计规范、EMC设计、PCB设计(布局布线、接地、阻抗匹配、加工工艺)、可用性设计(可用性要素、用户操作分析、设计准则)、可维修性设计(可维修性等级、评估内容、设计方法) 


电路可靠性设计规范的一个核心思想是监控过程,而不是监控结果。


比如热设计,按照热功率密度、热流密度的计算确定下来的散热方法,您就不必担心散热不够了;按照热阻和结温的计算方法,选定了风扇和散热片,只要有足够的余量。 

 

1、降额设计

 

所谓降额设计,就是使元器件运用于比额定值低的应力状态的一种设计技术。为了提高元器件的使用可靠性以及延长产品的寿命,必须有意识地降低施加在器件上的工作应力(如:电、热、机械应力等),降额的条件及降额的量值必须综合确定,以保证电路既能可靠地工作,又能保持其所需的性能。降额的措施也随元器件类型的不同而有不同的规定,如电阻降额是降低其使用功率与额定功率之比;电容降额是使工作电压低于额定电压;半导体分立器件降额是使功耗低于额定值;接触元件则必须降低张力、扭力、温度和降低其它与特殊应用有关的限制。

电子元器件的降额,通常有一个最佳的降额范围,在这个范围内,元器件的工作应力的变化对其失效率有显著的影响,设计也易于实施,而且不需要设备的重量、体积、成本方面付出太大的代价。因此,应根据元器件的具体应用情况来确定适当的降额水平。因为若降额不够则元器件的失效率会比较大,不能达到可靠性要求;反之,降额过度,将使设备的设计发生困难,并将在设备的重量、体积、成本方面付出较大的代价,还可能使元器件数量产生不必要的增加,这样反而会使设备可靠性下降。

 

降额的等级分为三个等级,分别称为Ⅰ级降额、Ⅱ级降额和Ⅲ级降额。

 

Ⅰ级降额是最大降额,超过它的更大降额,元器件的可靠性增长有限,而且使设计难以实现。Ⅰ级降额适用于下述情况:设备的失效将严重危害人员的生命安全,可能造成重大的经济损失,导致工作任务的失败,失败后无法维修或维修在经济上不合算等。

 

Ⅱ级降额指元器件在该范围内降额时,设备的可靠性增长是急剧的,且设备设计较Ⅰ级降额易于实现。Ⅱ级降额适用于设备的换效会使工作水平降级或需支付不合理的维修费用等场合。

 

Ⅲ级降额指元器件在该范围内降额时设备的可靠性增长效益最大,且在设备设计上实现困难最小,它适用于设备的失效对工作任务的完成影响小、不危及工作任务的完成或可迅速修复的情况。

 

2、 热设计

 

由于现代电子设备所用的电子元器件的密度越来越高,这将使元器件之间通过传导、辐射和对流产生热耦合。因此,热应力已经成为影响电子元器件失效率的一个最重要的因素。对于某些电路来说,可靠性几乎完全取决于热环境。所以,为了达到预期的可靠性目的,必须将元器件的温度降低到实际可以达到的最低水平。有资料表明:环境温度每提高10℃,元器件寿命约降低1/2。这就是有名的“10℃法则”。热设计包括散热、加装散热器和制冷三类技术,这里笔者主要谈一谈散热技术。应用中常采用的方法:

 

第一种是传导散热方法,可选用导热系数大的材料来制造传热元件,或减小接触热阻并尽量缩短传热路径。

第二种是对流散热方式,对流散热方式有自然对流散热和强迫对流散热两种方法。自然对流散热应注意以下几点:

设计印制板和元器件时必须留出多余空间;

安排元器件时,应注意温度场的合理分布;

充分重视应用烟囱拨风原理;

加大与对流介质的接触面积。

强迫对流散热方式可采用风机(如计算机上的风扇)或双输入口推拉方式(如带换热器的推拉方式)。