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你的设计可靠吗,可靠性设计的关键指标是什么?

1年前浏览2768

一、可靠性的2个关键指标

在可靠性设计时经常会涉及两个关键性的概念,平均无故障时间(MTBF)和寿命


平均无故障时间(MTBF)是指“可修复产品“在相邻两次故障之间工作时间的数学期望值。


a、虽然这个指标定义是一个统计值,是衡量整个设备总体性能的,理论上说在系统设计时需要对设备的各个部分进行可靠性指标分解,即所有的单个部件的失效概率应该比整机的失效概率低很多才能保证整机的失效概率大于需求的指标。但是在实际设计中由于“短板效应”的存在,绝大多数电子设备的平均无故障时间(MTBF)都是由于设备中寿命最短的那几个部件所决定的。


b、对于不修复产品,其产品寿命就等于设备平均无故障时间。

c、对于“可修复产品”,其产品寿命由其不可修复的部件的最短寿命决定其设备寿命。


二、电子器件失效
电子器件的失效本质上是器件内外部的电子运动、化学、机械等作用破坏了器件内部的结构。因此从长期看电子器件都是会失效的,且失效概率大致符合量子技术的分布特点:随时间成指数分布的关系。

如果对失效的统计规律进行细分的话,还能将其分早期失效、偶然失效期损耗失效期为三个阶段,见下图:


早期失效的原因主要是生产过程中引起的器件结构差异,可以通过一定的应力筛选办法可以将这部分器件筛选出来。第二阶段是器件的主要工作的时期,失效率基本处于平稳的状态,失效主要由偶然因素所造成。可以近似认为失效概率处在一个定值。到了第三阶段器件进入损失失效期后,失效率迅速上升,这就是产品的寿命“终了”。

那么既然失效是运动破坏了器件结构。反过来说要降低电子器件的失效率的办法也就来自三个方面:降低电子运动的能量;提高器件结构的强度;通过外部手段保护器件结构。

降低电子运动的能量:包括降低自身设备的电子应力和降低外部干扰电子应力两个部分的内容。降低自身设备的电子应力主要手段是降低不必要的如信号线的电流;降低功率器件的功耗;增加滤波电路和纹波吸收电路;降低系统功耗等措施;降低外部干扰电子应力则可以通过隔离、屏蔽、滤波等措施实现。

提高器件结构的强度:简单的理解就是选用标准更高的器件,能耐105℃的器件显然就比能耐70℃的器件更稳固,在相同条件下其寿命也会更高。同理,同等条件下25V耐压的电容显然比16V耐压的电容的寿命长;更高额定电流的器件也就比低额定电流的器件更耐用。用一个更通用的词汇来说就是降额设计。

保护器件结构不受损坏的方法主要在外部:很显然在高温、腐蚀性、潮湿、盐雾、震动的等环境下运行的器件结构更加容易受到损坏。那么对这些因素进行防护也是有效的提高可靠性的方法。手段有刷三防漆、加屏蔽罩、减震器、温控器等。

值得注意的是,电子器件的失效模式不可忽略。首先必须对器件失效或者性能降低后会产生什么样的后果,如果设备失效后产生的是包括起火、爆炸、触底在内的人身安全事故这就完全不可接受。典型的如:钽电容的失效就经常伴随短路和起火,这就需要为其单独考虑防护措施,比如保险等。另一个方面很多电子器件的失效模式是指标的下降,这个过程会伴随设备的整个使用过程连续发生,那么在电子器件指标的下降到不能容忍前,都可以认为设备是正常的。比较典型的是电解电容,这样的器件就必须预留较大的设计余量以满足其工作寿命的要求。

三、常见的寿命短的电子元件

1. 电源、风扇、功率开关、机械开关、高频工作的机械式继电器;

2. 高应力、高功率部件:比如开关电源中的IGBT、MOS管、电源;

3. 无线系统中的功放;

4. 高发热部件,自身温升超过60度的器件都值得警惕。

5. 设计余量较小的部件;

6. 工作在恶劣环境中的部件


四、如何降低元件失效

  1. 降额使用

  2. 改善使用环境

  3. 电气隔离、功能隔离、间距隔离、屏蔽

  4. 降低失效后的影响

  5. 增加保护措施

来源:射频工程师的日常
化学电源电路通用电子理论爆炸
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首次发布时间:2023-07-17
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EE小新
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