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1、可靠性设计,目录,4,可靠性设计概述,1,2,3,系统可靠性模型,可靠性预测,可靠性的保证,可靠性设计的常用技术,5,前言,低成本可靠性越高，成本越高返修率越高，成本越高,技术性能,可用性,安全性,成本,产品质量,可靠性和维修性产品寿命中可靠使用，便捷维护如冰箱的十年寿命及终身维修,安规指标不能对客户的安全造成威胁如电子产品的阻燃性、外壳接地,技术指标所要实现的功能如冰箱的温度、功耗,产品故障原因分析,产品故障70是同设计有关,影响产品可靠性的因素,失效率曲线,早期失效期，失效率曲线为递减型。产品投稿使用的早期，失效率较高而下降很快。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、起动不
2、当等人为因素所造成的。必须设法规避早期失效的发生；偶然失效期，失效率曲线为恒定型，即t0到ti间的失效率近似为常数。失效主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意提高产品的质量，精心使用维护。耗损失效期，失效率是递增型。在t1以后失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提前维修；,早期失效期：设计失误、工
3、艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分；质量问题；（往往跟时间有关，具有隐蔽性）偶然失效期：静电损伤、过电损伤；可靠性问题；（往往是突发性事件，现象明显）耗损失效期：元器件老化；可靠性问题； （往往跟时间有关，具有隐蔽性）,可靠性与费用的关系,可靠性设计的方法,可靠性分配,可靠性预测,1、设定可靠性目标；2、按照已知零部件或各单元的可靠性数据,计算系统的可靠性指标，以得到比较满意的系统设计方案；,1、将设定的目标分解到系统的各个环节；2、在多种设计方案中比较、选优。,方法,设定目标,实现目标,可靠性设计的一般步骤,2、确定规格,1、明确失效率,3、规格分解,5、可靠性验证,4.选料、方案、FEMA,6、
4、优化设计,常见的可靠性业务流程,Design Verification,Failure analysisRoot cause analysis,results,Predictions / failures,Manufacture & Market product,Fieldfailures,Component count reliability analysis,Long term life test & group testing,Design “rules”,Product Qualification,Product design,results,Parametricdistributio
5、nyieldanalysis,Demonstration of target reliability,FEM,目录,4,可靠性设计概述,1,2,3,系统可靠性模型,可靠性预测,可靠性的保证,可靠性设计的常用技术,5,系统可靠性模型,模型,子系统1,子系统2,子系统2,输入,输出,输入,输出,子系统1,子系统2,子系统3,串联系统,并联系统,串联系统的可靠性框图串联系统的可靠度Rs(t)： 假设n单元的可靠度为Rn(t),则串联系统的可靠度串联系统的平均无故障工作时间（MTTFs）：,串联系统,串联系统由n个可靠性Ri相等的单元构成，试求n=1,5,10,15,20,25,30,35,40,45
6、时，Ri为1,0.99,0.98,0.97,0.96,0.95的系统可靠度。解 因为 ，计算与不同n相应的系统可靠度,结果如表13.2.1。,Ri,图13-2-3 Ri关系曲线,R=1,R=0.99,R=0.98,R=0.97,R=0.96,R=0.95,【例题】,并联系统可靠性框图并联系统可靠度系统的平均寿命,并联系统,研究两个等可靠度的独立单元组成的并联系统的可靠度。,解 设单元等可靠度为,因此，两个等可靠度单,元组成的并联系统的可靠度为：,所以系统的故障率为：,从而有,并联系统的失效率随时间而变化，当时间很长时可视为常数。,【例题】,目录,4,可靠性设计概述,1,2,3,系统可靠性模型,
7、可靠性预测,可靠性的保证,可靠性设计的常用技术,5,一、可靠性预测的目的,1.为设计决策提供科学合理的依据。2.根据预测结果，编制可靠性关键件清单，为生产过程质量控制提供依据；3.为可靠性试验方案设计提供依据；4.为产品系统的可靠性指标分配提供依据和顺序；5.对产品使用、维护提供信息等。,二、可靠性预测的程序,确定质量目标。拟定使用模型。建立产品结构。推导数学模型。确定单元功能。确定环境系数。确定系统应力。假定失效分布。计算单元的工作失效率和贮存失效率。计算产品可靠性。,三、可靠性预测的一般方法,（一）元器件计数法 （二）应力分析法 （三）相似产品法,（一）元器件计数法,失效率数学模型 其中：
8、s为系统（设备）总失效率；Gi为第i个元器件的通用失效率，Qi为第i个元器件的质量系数；Ni为第i个元器件的质量数量；n为不同元器件的种类数目。 适用范围 适用于电子类产品的方案论证及初步设计阶段。在产品的原理图基本形成，元器件清单初步确定的情况下应用。,（二）应力分析法,失效率数学模型 其中b是基本失效率；i是各种系数，如是质量系数、E是环境系数等。适用范围 应力强度模型认为产品所受的应力大于其允许的强度就会失效。因此，采用应力分析法需要知道元器件所受的应力，如温度、电压、振动等，这决定了应力分析法只能用于详细设计阶段。,（三）相似产品法,预测的基本公式 其中TBFS是系统的MTBF(h)；
9、TBFi是第i分系统的MTBF(h)适用范围 相似产品法是根据以前研制和生产功能相似的产品时，所获得的失效率数据和特定的经验，估计新设计产品的可靠性参数。在机械、电子、机电类具有相似可靠性数据的新产品方案论证、初步设计阶段，可用相似产品法进行可靠性预计相似产品法的一般步骤 (1)确定与新设计产品在类型、使用条件及可靠性特征最相似的现有产品； (2)对相似产品在使用期间所有数据进行可靠性分析； (3)根据相似产品的可靠性，作适当修正，作出新产品所具有的可靠性水平。,或,目录,4,可靠性设计概述,1,2,3,系统可靠性模型,可靠性预测,可靠性的保证,可靠性设计的常用技术,5,由流程保证可靠性的实现
10、,24,可靠性分配的一般方法,平均,等同分配,代数分配,加权分配,算术平均,加权平均,1、操作简单，不考虑重要度2、未知或全新系统,70%,30%,60%,40%,可靠性分配可采用的方法：,50%,50%,1、考虑重要度2、有一定认识的系统,1、考虑重要度及权重2、很熟悉的系统,目录,4,可靠性设计概述,1,2,3,系统可靠性模型,可靠性预测,可靠性的保证,可靠性设计的常用技术,5,一、元器件的选用,元件的可靠性不仅与其固有可靠性有关，而且还与设计时选择的工作参数（电压、电流、功率 等）有关，电路形式和环境（如温度、振动、冲击等）条件有关，因此在电路可靠性设计中，必须重视元件的选择，设计重视各
11、种冲击。,1、少用高失效率元件（1）试制品、触点多、易振动；（2）出现磨损、氧化；,元器件选用原则,二、元器件的降额设计,降额设计是使元器件或产品在工作时承受的工作应力适当低于额定值，达到降低元器件或产品的基本失效率，提高使用可靠性的目的。,原因元件在额定条件下工作，环境、工作应力的变化造成元件的故障。实质缓慢物理化学变化，使得元件特性退化、功能丧失。这种变化的快慢，与温度和施加在元器件上的应力大小直接相关。要点在设计时有意识地降低元器件在工作时所承受的热、电、机械等各种应力，以达到改善元器件可靠性目的。范围：电子、电控系统和机械零件、机械结构等。包括：环境应力和工作应力,元器件的降额设计,（
12、1）降额依据,原因元件在额定条件下工作，环境、工作应力的变化造成元件的故障。实质缓慢物理化学变化，使得元件特性退化、功能丧失。这种变化的快慢，与温度和施加在元器件上的应力大小直接相关。要点在设计时有意识地降低元器件在工作时所承受的热、电、机械等各种应力，以达到改善元器件可靠性目的。范围：电子、电控系统和机械零件、机械结构等。包括：环境应力和工作应力,元件承受的环境应力：客观存在温度、湿度、压力、辐射、振动、腐蚀等 ，这些随条件而变化。温度对寿命影响较大工作应力：元件工作时，出现电流、电压、频率、热量、机械负荷等（1）温度对寿命影响寿命（L)和工作温度(T)关系遵守阿伦尼斯方程元件温度增加10度
13、，寿命就缩短1/2称10 度法则（2）温度及其他应力同时作用：,元器件的降额设计,元器件的降额设计,元件降额方法选择电阻降低功率；电容降低工作电压；半导体降低工作功率；数字电路降低周围环境和电负荷；电子元件降额设计方案降额系数有电流、电压和功率降额系数。降额幅度越大，寿命越长。但重量、体积和成本增加。有时反而不利影响，因而存在一个优化问题。,三、电路的简化设计,一、简化设计的条件起因：电路可靠性同电路的复杂程度有关，电路越复杂、电路失效概率大，可靠性降低。目的：减少元器件的数量。原则：在保证原有规定条件下，完成电路性能前提下简化。二、途径（3种）模拟电路简化：包括采用成熟电路和简单电路数字逻辑
14、电路的简化利用布尔代数方法简化逻辑电路；采用集成电路减少元器件的数量、连线、焊接点，显著减少电路的失效率。,四、容差与漂移设计,现象：产品在长时间工作，受自身和外界条件的影响，元件出现疲劳现象其结果，元器件完成功能的能力出现偏差。参数漂移超出范围，漂移性失效。主要原因元件本身有一定公差；1000 5；环境条件变化（温度、振动、材质变异等），参数出现漂移。应对措施：选择质量较好元件，元器件设计采用可靠性技术容差设计设计方法：均方根偏差设计法；最坏情况设计法；蒙特卡洛法；,均方根偏差设计法,输出功率,求偏差,特性方程,分布参数,漂移范围,设计完成,yes,no,系统相关,均值参数，通过系统特性方程
15、验算是否符合漂移范围；日常常用；,思想要点：按元器件性能参数可能出现的极限来设计电路。最坏条件求出参数变化在允许范围，则确保万无一失。缺点：对元器件要求提高，增加费用。设计方法：将性能参数的最大（或最小）值带入特性方程，求出整机性能参数的极限范围；,注意某参数的最大最小如何判断,最坏设计法,特性方程,分布参数,漂移范围,设计完成,yes,no,系统相关,极值参数，通过系统特性方程验算是否符合漂移范围；日常操作常用；,蒙特卡洛法,随机参数,特性方程,漂移范围,设计完成,yes,no,随机参数，通过系统特性方程验算是否符合漂移范围；多用于微机计算；,五、电磁兼容性设计,两种途径电子设备内部电和磁互
16、相兼顾和相容；电子设备同环境电和磁互相兼顾和相容。设计结果：是采取一些措施，提高元件设备在电磁环境中的适应性电磁干扰的来源：外部环境：雷电、宇宙、太阳黑子、无线电通信设备（卫星、雷达、导航等）；高压强电设备；电力机械等武汉空难事故：2000.6.22-死亡49人原因：雷电、大雨内部环境：电源、电容、电阻、继电器等,六、冗余设计,在可靠性较低的元器件或部件（分系统）两端，附加一个或几个相同的元器件或部件，保证产品仅当附加的元器件或部件全部失效时，产品才发生故障，这样的系统成为贮备系统，这种设计方法称为贮备设计，也称冗余设计。,七、热设计,应用仿真技术，进行系统布局优化；基本原则：热分布均匀化，减少热点、避免冷点；,THANKS,
