硬件可靠性设计

chinapluss Post at 2006/3/13 14:09:00

1.可靠性的基本概念

l       可靠性的定义:产品或系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力

l       失效率:故障率,指工作到某一时刻尚未失效的产品或系统在该时刻后单位时间内发生失效的概率

l       可靠度:指产品或系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率,Rt,称为可靠度函数

l       不可靠度:累积失效概率,是产品在规定条件下和规定时间内未完成规定功能的概率,记为Ft

l       平均无故障时间: MTBF(mean time between failure)又称为平均寿命,是产品寿命的平均值;

2.可靠性模型

l       串联系统:随着串联单元数的增加,系统的可靠度随之减小,无冗余的

l       并联系统:随着并联单元数的增加,系统的可靠度随之增大,有冗余的

l       混合系统

l       提高可靠性的方法:错误避免即通过使用更高质量、更高可靠性的元器件、部件来提高系统的可靠性,其实现成本比容错设计低。容错设计主要是通过部件的冗余来实现,即通过增加设计的复杂性,增加冗余单元,同时也就增加成本的方法达到提高系统的可靠性

3.可靠性设计方法

l       元器件:构成系统的基本部件,作为设计与使用者,主要是保证所选用的元器件的质量或可靠性指标满足设计的要求

l       降额设计:使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值,从而达到降低基本故障率,保证系统可靠性的目的。幅度的大小可分为一、二、三级降额,一级降额((实际承受应力)/(器件额定应力) < 50%的降额),建议使用二级降额设计方法,一级降额<70%

l       冗余设计:也称为容错技术或故障掩盖技术,它是通过增加完成同一功能的并联或备用单元(包括硬件单元或软件单元)数目来提高系统可靠性的一种设计方法,实现方法主要包括:硬件冗余;软件冗余;信息冗余;时间冗余等

l       电磁兼容设计:系统在电磁环境中运行的适应性,即在电磁环境下能保持完成规定功能的能力。电磁兼容性设计的目的是使系统既不受外部电磁干扰的影响,也不对其它电子设备产生电磁干扰。硬件措施主要有滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、接地技术等;软件措施主要有数字滤波、软件冗余、程序运行监视及故障自动恢复技术等

l       故障自动检测及诊断

l       软件可靠性设计:为了提高软件的可靠性,应尽量将软件规范化、标准化、模块化

l       失效保险技术

l       热设计

l       EMC设计:电磁兼容(EMC)包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)两个方面

l       可靠性指标分配原则:等分配法;再分配法;比例分配法;综合评分分配法;动态规划分配法

4.常用器件的可靠性及选择

l       元器件失效特性:突然失效;退化失效;局部失效;全局失效

l       元器件失效机理:温度;湿度;电压;机械;…… 温度每升高10℃,ICQ(反向漏电流)将增加一倍;温度的升高将使晶体管的最大允许功耗下降

l       元器件选择

l       电阻:E-24  允差±5%E-96 允差±1%,一般情况下,分布电容Cd0.20.5pF;包括引线电感在内,剩余电感Ls1030nH

l       电容:容许误差;耐压;绝缘电阻

l       二极管使用注意事项:电流通过管子时会使管芯发热,温度上升,温度超过容许限度;反向电压高到一定值时,会将管子击穿;反向电流越小,管子的单方向导电性能越好,反向电流与温度有着密切的关系,大约温度每升高10 ,反向电流增大一倍

l       光耦合器

l       集成电路:74HC器件不用的输入引脚不能悬空,74LS器件不用的输入引脚可以悬空,默认高电平

5.电路设计

l       电流倒灌:最有效的解决方法是使用双极型的器件(如LS器件,ABT器件)作为接口,由于双极型器件没有保护二极管D1存在,故不存在上述灌流通路。需要注意的是这时接口的输入、输出信号线上不能加上拉电阻

l       热插拔设计:电路板上电或热插拔时会从电源拉出很大的启动电流并导致电源电压的波动,此现象控制不当将影响系统中其它电路的正常使用,甚至导致整个系统的损坏;热插拔电路的最低要求是提供浪涌电流限制,防止在大的容性负载加电时整个系统损坏;最简单的限流元件是保险丝;正确的电路板上电次序:电路板的地,电源,复位,信号

l       过流保护:在电路板的电源入口处串联小阻值的PTC元件可对电源进行有效保护

l       反射波干扰:电信号(电流、电压信号)在沿导线传输的过程中,由于分布电感、电容和电阻的存在,导线上各点的电信号并不能马上建立,而是有一定的滞后,离信号源越远,电压波和电流波到达的时间越晚。当导线的阻抗有变化(如背板线与电路板内的信号线、接插件等)或负载阻抗与线路阻抗不匹配时,将对电信号产生反射和折射;

l       最大匹配线长度计算:方法一定义:信号在传输线上的反射波的振荡过程如果在芯片的传输延迟时间内,反射波将不影响芯片的工作,将信号在传输时间内所传播的距离称作最大匹配线长度,当传输线超过匹配长度时,称为长线传输,此时需要考虑采取措施抑制反射波干扰 tPD―数字电路的传输延迟时间(nsV电磁波速度(1.4~2)×108m/s K―经验常数,取k45;方法二定义:如果信号在传输线上往返一次的时间比信号的上升时间短,则认为该传输线不匹配也不会对信号产生影响,lmax=V×tr/6)×10-9m)式中V3×108m/s),tr:信号上升时间,两种长线的计算方式都与信号的频率无关;抑制或削弱反射波干扰的方法有:阻抗匹配,采用输入/输出驱动器,降低输入阻抗,采用光电耦合,采用差分传输技术

l       电源干扰:尖峰电流的抑制方法通常是使用去耦电容来滤波

l       静电干扰

l       上电复位:通常要求复位信号有足够的宽度以保证处理器或其它电路得到可靠复位

l       时钟信号的驱动

l       时钟信号的匹配方法:有源端串联匹配和终端并联匹配

6.PCB设计

l       布线

l       去耦电容

l       时钟信号

7.系统可靠性测试

l       环境适应性测试

l       EMC测试

l       其它测试

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