可靠性课程(2=34～)

1一、系统可靠性（预计中）的几种主要数学模型若已知单元i的寿命为Ti，可靠度为Ri（Ti），i=1，2，…，n，则系统的可靠度为：如果各单元的失效服从指数分布，即则设各单元同时开始工作且工作时间相同（绝大多数情况如此），t1=t2=…=tn=t则∴系统的失效率11221()()()()()nsnniiiRtRtRtRtRtiitiRe11()exp()iinntsiiiiRtet1()exp()nstsiiRtte1nsii可靠性预计和分配——可靠度预计1．串联系统2系统的平均寿命Qs为：Qs=1/s▲∵Ri（ti）1，∴串联系统的单元数越多,系统的可靠度越低。2．并联系统▲从可靠度上很难求，让我们考虑不可靠度：当系统每个单元均不可靠时，系统才不可靠，故服从概率的乘法原理，∴系统的可靠度为1211()()()()()[1()]nnsniiiiFtFtFtFtFtRt1()1()1[1()]nssiiRtFtRt可靠性预计和分配——可靠度预计3假设各并联单元的可靠度相同，R1（t）=R2（t）=…=Rn（t）=R（t），则Rs（t）=1－[1－R（t）]n3．串并联系统4．表决系统5．非工作储备系统6．复杂系统可靠性预计和分配——可靠度预计4二、系统可靠性预计方法1．元器件计数法S——系统的失效率G——第i种通用元器件通用失效率Q——第i种通用元器件的质量系数Ni——第i种通用元器件的数量n——不同的通用元器件的种类数1()nsiGQiiN可靠性预计和分配——可靠度预计5优点——计算方便、速度快，可用于方案论证和早期设计阶段缺点——误差较大，准确度较差2．数学模型法（可靠性方框图求解法）3．蒙特卡洛法可靠性预计和分配——可靠度预计63.5可靠性分配一、可靠性分配的目的1．何谓“分配”？系统的可靠性指标分解→各子单元→组件、零部件、元器件（包括接插件和焊点）2．目的二、可靠性分配的原则与方法（1）原则①对设备中的关键部件，分配的可靠性指标要高一点，即可靠度要高，失效率要低。因为其关键，可靠性预计和分配——可靠度分配7所以要求苛刻。②对比较复杂的单元或组件，分配的可靠性指标可低一点——对其宽容一些。③对工作环境不好的单元或组件，分配的可靠性指标也可低一点。④对可维修的单元，分配的可靠性指标可低一点。⑤对改进潜力大的单元或组件，分配的可靠性指标应高一点。⑥对现有产品的可靠性水平较低，且难以在短期内提高其可靠性水平的单元或组件，分配的可靠性指标应低一点。可靠性预计和分配——可靠度分配8（2）方法1．等分配法设系统由n个单元串联而成，而要求系统的可靠度为Rs，则有等分配法时，R1=R2=…=Rn=Ri则有▲优缺点及适用场合1nsiiRRnsiRRnisRR可靠性预计和分配——可靠度分配92．阿林斯分配法（1）依据：每个单元的容许失效率正比于预计失效率。因此，单元预计失效率越大，分配给它的失效率也就越大。（2）步骤：a、根据过去的历史数据或估计的值，以及从手册中获得各单元的预计失效率i；b、按下式求赋予每个单元的加权因子Wi，（i=1，2，…，n，为组成系统的单元数）显然：1iiniiw11niiw可靠性预计和分配——可靠度分配10c、计算分配给各单元的容许失效率：S——设计中规定的系统容许失效率。例3.73．AGREE分配法iiisw可靠性预计和分配——可靠度分配Ch.4可靠性设计基本方法124.1概述（1）产品质量——技术性能、可用性、安全性、成本（2）故障原因分析——40%=设计上的问题（3）可靠性设计的经济效益（4）内容——可靠性设计基本方法——概述元器件选择与降额设计系统简化设计容差与漂移设计电磁兼容性设计热设计耐环境设计冗余（余度）设计134.2元器件的选择与降额设计一、元器件的选择二、降额设计可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计14一、元器件的选择△关于元器件的选用，可参考更好的一本书：刘光斌等3人编著《单片机系统实用抗干扰技术》人民邮电出版社1．元器件质量等级的选择▲应根据产品的系统可靠性指标要求，通过可靠性指标合理分配，提出（确定）对选用元器件的失效率等级的要求。我国GB1772规定，失效率分为七个等级。国外产品参考美军标手册标准。可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计15▲赵初义，美国军用电子元器件要求和应用指南，国际工业出版社，2004年▲参考《可靠性设计与分析》P.202~2032．尽量少用高失效器元器件我国电子元器件质量等级分：一类——特军品二类——普军品三类——民品可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计163．元器件选用准则(51页上)1）2）3）4）补充：5）明确产品应用的温度类型：（军品IC和元器件耐温范围）①军用温度范围：-55～+125℃②工业温度范围：-40～+85℃（或更高）③商业温度范围：0～+70℃可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计17但①≠“军品”有明确、高的可靠性要求，温度只是其中最基本的一项。6）尽量选用著名厂家的成熟产品，少用或不用小型企业的产品；7）尽量减少供应商的数量，压缩品种数量，如OA，应用相同时，尽量用同一种型号的OA。8）优先选用有良好的技术服务，供货及时与稳定可靠、价格合理的生产厂家的元器件，对关键元器件要进行用户对生产方的质量认定。9）能够进行用户自行筛选，则尽量进行（如温度循环、高低温、加电老化等），以便进一步剔除早期失效的产品。可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计18补充4常用电子元器件的具体选用（1）二极管①分类：功能——开关、整流、稳压、电压基准、稳流、变容、瞬变电压抑制、光电和微波等。功率——小功率二极管IF1A功率二极管IF≥1A工作频率——低频、高频和微波可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计19②选用工作性质应用要求类型开关箝位消反电势检波开关D，整流D，稳压D，或肖特基D整流3kHz以下3kHz～1MHz整流二极管快恢复整流二极管开关二极管或肖特基二极管稳压1V以上1V以下稳压二极管正向偏置的开关D，整流D电压基准电压基准D，稳压D稳流稳流D可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计20（2）晶体管（三极管）①分类——功能——放大、开关、斩波和光电制造工艺——双极、场效应、闸流和光电等额定功耗——小功率管（Pm1W）功率管（Pm≥1W）频率——低频、高频和微波②选用可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计21工作性质应用要求类型小功率放大低输入阻抗（小于1MΩ）高频晶体管高输入阻抗（大于1MΩ）场效应晶体管低频低噪声场效应晶体管微波低噪声微波低噪声管功率放大1GHz微波功率管10kHz以上高频功率管10kHz以下低频功率管开关通态电阻小开关晶体管通态内部等效电压为零场效应晶体管大电流或作可调压电源闸流晶体管（可控硅）光电转换光电晶体管光电隔离浮地光电耦合器▲锗管的可靠性硅管，∴高可靠性产品中尽量采用硅管。▲集成电路（数字和模拟）专门搜集有关资料后，整理于本节最后再讲。可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计22（3）电阻器①分类——（a）固定式、可变式（电位器）（b）合成型、薄膜型、线绕型②特性参数（a）电阻值R——不同结构，不同工艺水平的电阻器，其电阻值精度及漂移值均不同。有些课程已学习过。（b）额定功率P——标称的是直流下的功率P=I2R。电阻器上的最高电压不应超过允许值；不允许连续过负荷平均功率不得超过额定值应注意交流和脉冲状态下的功率可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计23（c）电位器的额定功率——是考虑整个电位器在阻值条件下的功率，所以对部分加载的情况，额定功率值应相应下降。（d）高频特性——阻值=R（f），要知道阻值会随频率变化。线绕电阻器高频性能最差，合成电阻次之，薄膜电阻具有最好的高频性能大多数薄膜电阻器的有效直流电阻在f=100MHz尚能保持基本不变。1P2P可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计24③军用品质量等级和质量系数失效率（10-5/h）210.10.010.001美军用符号LMPRS中国军用符号WLQB美=MIL―HOBK―217中=GJB/Z299④特点和主要选用场合(a)合成电阻器价格低廉，过载能力强，阻值稳定性差，热噪声和电流噪声均大，温度系数也大。▲主要用于要求不高的电路中，现少用。可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计25(b)薄膜型R——金属膜和金属氧化膜高频性能好，电流噪声低，非线性较小，温度系数小，性能稳定。缺点是功率较小。▲主要应用于要求高稳定、长寿命、高精度的场合。(c)线绕型电阻器稳定性好，温度系数小，功率型的额定功率大；缺点是体积大，且不能用于高频（50kHz以上）。可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计26(d)合成电位器价格低、稳定性不高，已少用(e)线绕电位器有精密型、半精密型和功率型（4）电容器①分类——（a）功能上：固定电容器、可变电容器（b）结构和材料上来划分：无机介质、有机介质和电解介质可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计27②特性参数（a）额定直流电压——交流电压值加上交流电压峰值，不得超过此值。（b）温升——全部温升（功率损耗及环境温度）不应使全部温升超过最大额定温度。（c）绝缘电阻——小容量电容器，绝缘电阻单位为MΩ，大容量绝缘电阻值用参数RC，即用电容的时间常数来表示，单位为MΩ·μF。电解电容器以漏电流来反映绝缘电阻，单位为μA。③质量等级和质量系数同电阻的。④特点和选用可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计28（a）适用频率范围电容器种类电容量范围耐热性（℃）高频（≥1MHz）空气甚小85～125陶瓷小、中、大85～150（有些达200）云母小、中70～150玻璃小、中85～125聚苯乙烯小、中70～85聚四氟乙烯小、中200云母纸小、中125～300音频（1kHz～20kHz）铁电陶瓷小85～125氧化膜小、中85～125纸介（含金属片）小、中、大70～125聚碳酸脂小、中、大125涤纶电容器小、中、大125可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计29低频（几百Hz）铝电解电容大、甚大70～125钽箔大、甚大85～125烧结钽（液体钽）大、甚大85～200烧结钽（固体钽）中、大、甚大85～125容量范围：甚小——几个～几百个PF小——几百～几万PF中——几万PF～1μF大——1～10μF甚大——10～几千μF可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计30▲▲▲（b）具体讨论1类瓷介电容器电容量在0.5~680PF，容许偏差为±1%。电容量随时间、温度、电压和频率的变化都是很稳定的，可用于温度稳定性要求高的场合。2类瓷介电容器电容量在0.5~104PF之间，允许偏差为±10%和±20%，不适用于精密用途。理想实际可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计31▲瓷介电容器最近出现一种“独石电容”，电容量大而具有瓷介的优点。云母、玻璃电容器在0.5~104PF之间，容许偏差为±1%。可用于要求容量较小、品质系数（Q）高以及对温度、频率和时间稳定性好的电路中。它们具有高的绝缘电阻、低功率系数、低电感和优良的稳定性，特别适用于高频应用，在500MHz内性能优良。纸、塑料或聚酯薄膜电容器电容量范围大，可从10PF到几十μF之间，容许偏差为±2%。可用于要求高温下具有高而稳定的绝缘电阻，在宽的温度范围内有良好的电容稳定性的场合。可靠性设计基本方法——元器件的选择与降额设计32固体电解质钽电容器容量在0.1~470μF之间，容许偏差为±5%。是军用设备中使用最广泛的电解电容器，和其它电解电容器相比，相对体积较小（同等的大电容量），对时间和温度呈良好稳定性。▲缺点是电压范围窄（6~120V），漏电流大。主要用于滤波、旁路、耦合、隔直流及其它低压电路中（如晶体管电路）非固体钽电解电容器电容量在0.2~50