电子设计可靠性工程1-电子可靠性设计基础

1第1章电子可靠性设计基础主讲：庄奕琪电子设计可靠性电子设计可靠性工程工程2CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.01.1可靠性概念1.2可靠性定量表征1.3可靠性技术概要1.4可靠性设计本章概要3CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0引例甬温线动车追尾事故:经过2011年7月23日20时30分，由北京开往福州的D301次动车组在浙江省温州市境内，与杭州开往福州的D3115次列车发生列车追尾事故，造成40人死亡、172人受伤，直接经济损失19371.65万元，是中国铁路史上损失最为惨重的安全事故根据国务院调查组于2011年12月25日发布的《“7.23”甬温线特别重大铁路交通事故调查报告》，此事故的发生既有管理方面的原因，也有技术方面的原因，而技术方面的原因可以归结为应用可靠性设计出现了问题4车WR213904甬温线动车追尾事故现场示意图4CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0车站列控中心轨道电路列车超速防护系统列车运行控制系统的构成引例甬温线动车追尾事故:技术故障事故当晚，现场雷电频繁。据统计，共发生雷电对地放电（俗称“地闪”）多于340次，其中放电电流幅值超过100kA的就有11次雷击一是导致轨道电路若干部件损坏，包括4个发送盒、2个接收盒和1个衰耗器；二是导致列控中心设备（型号为LKD2-T1）中采集驱动单元的电源保险管烧断（250V/5A）上述故障导致轨道电路与列控中心信号传输的CAN总线阻抗下降，造成轨道电路与列控中心的通信出现异常，发送器的状态在无码、检测码、绿黄码之间随机变化列控中心未能采集到列车的占道状态，导致出现故障后轨道上实际有车占用时，仍然按故障前无车占用状态显示，使区间信号灯错误地显示绿灯，从而最终导致追尾事故的发生25CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0引例甬温线动车追尾事故:可靠性设计缺陷防雷设计铁路设备极易受到雷击的影响，遍布全线的供电与信号电缆、高出地面的钢轨、无处不在的交流电源与变电设备，都将成为雷电侵入的便利途径可采用防雷电保护接地、内部设备的严格屏蔽、浪涌保护元件等多种可靠性防护手段来防止雷电袭击（本课程第4章和第5章）冗余设计列控中心采集电路的供电电源只有一路独立电源，一旦失效就会导致系统故障。对于要求高可靠的系统，应同时配备两路独立电源，只有当两路电源同时失效时才会导致系统故障列控中心采集电路虽然有两路输入，但采集的是同一个源点信号。应采用两路独立采集输入回路，而且对两路采集到的信号进行比较，仅当两路信号相同时，才视为正确信号（本课程第7章）潜在通路分析采集驱动单元虽然将故障信息传送给了列控中心主机，但传送给主机的状态信息仍然为正常；列控中心主机虽然收到故障信息，但未采取任何防护措施。这些均属于设备设计重大缺陷设计时，应对设备可能出现的故障类型及其形成通道进行详细分析，并通过硬件和软件的改进，尽可能避免故障的发生。如无法避免，必须能够提供故障信息的发送通道，使设备的管理者及时知晓，及时采取有效措施（本课程第7章）6CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.01.1可靠性概念什么是元器件？元器件：电子与电气系统的基础产品，如半导体器件、集成电路、阻容元件、变压器、继电器、电缆等，亦称“电子元器件”零部件：机械系统的基础产品，如螺栓、螺帽、轴承、销子、弹簧、软管、齿轮、密封件等，亦称“机械零部件”装备：由各种元器件、零部件组装而成的具有独立功能的系统产品，如一台电子设备、一颗卫星、一架飞机、一艘潜艇等产品：指系统、设备、部件、元器件甚至软件等7CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.01.1可靠性概念元器件的分类器件：有源，除了输入信号外，还需外加电源才可以正常工作，可对信号进行放大元件：无源，只需输入信号，无需外加电源即可正常工作，无法对信号进行放大8CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0可靠性：产品在规定时间内、规定条件下完成规定功能的能力，是产品质量的重要方面失效或故障：在规定时间内、规定条件下产品失去了规定的功能可修复产品（如电子整机，经更换元器件可以修复）为故障，不可修复产品（如电子元器件，只能更换，无法修复）为失效；短时间内失去规定功能的为故障（如电磁干扰），永久失去规定功能的为失效（如雷电引发烧毁）1.1可靠性概念可靠性39CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0规定功能功能：产品所具备的完成指定任务的能力，定性性能指标：产品完成指定任务时能达到的数量指标，定量规定时间平均工作（储存）寿命：不可修复产品在失效前经历的平均工作（储存）时间，亦称平均无故障时间（MTTF，MeanTimetofailure，亦称平均故障前时间）平均故障间隔时间（MTBF，MeanTimeBetweenFailure）：可修复产品在相邻两次故障之间的平均时间时间单位不只是日历时间，也可能是动作次数（如开关）、重写次数（如存储器）、距离（如汽车的行车公里数）等规定条件使用条件：动力负载条件（电源、输出功率、载荷等），使用频率条件（工作频率、速度、数据率等），过电应力条件（静电、浪涌、过电压、过电流、雷击等）环境条件：气候环境（温度、湿度、空间辐射、气压等），生物和化学环境（霉菌、盐雾、臭氧、污染等），机械环境（振动、冲击、加速度等），电磁环境（电场、磁场、电磁场等）1.1可靠性概念可靠性(续)10CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.01.1可靠性概念可维修性和可保障性MLDTMTTRMTBFMTBFA可用度（表征可用性Availability）平均故障间隔时间（表征可靠性Reliability）平均维修时间（表征可维修性Serviceability）平均保障延误时间（表征可保障性）可用性是指可维修、可保障产品在某时刻具有或维持规定功能的能力，它比可靠性表征的范围更广。可用性有时称为可信性可维修性是指产品在固定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，恢复到能完成规定功能的能力可保障性是指产品在规定的时间内，按规定的程序和方法进行保障时，保持完成规定功能的能力11CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.01.1可靠性概念安全性和健壮性安全性（Safety）：正确地安装、维护和使用设备，使之不会危害人、家畜和财产健壮性（Robustness）：系统从各种出错条件下恢复原有功能的能力。亦称鲁棒性或坚固性12CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.01.2可靠性定量表征可靠度与失效概率可靠度R(t)产品在t时间内不失效的概率R(t)=P{τt}τ为产品的寿命若N个产品工作到t时间有n(t)个失效，N(t)个未失效，则R(t)的估计值（实际的可靠性定量指标只能通过试验或现场观测得到其近似值，亦称观测值）R(0)=1（产品在刚投入使用时不会失效），R(+∞)=0（产品只要使用时间足够长，最终一定会失效）失效概率F(t)产品在t时间内失效的概率F(t)=P{τ≤t}τ为产品的寿命显然F(t)+R(t)=1（F(t)亦称不可靠度）若N个产品工作到t时间有n(t)个失效，则F(0)=0，F(+∞)=1))(()()()(^tnNNtNNtnNtR如))(()()(1)(^^tnNNtntRtF如可靠性可用定量的指标来表征。我们无法准确预计产品在何时失效，只能得到产品在何时失效的可能性高低，故可靠性的定量表征指标均为概率413CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.01.2可靠性定量表征失效密度与失效率失效密度（亦称累积失效率或失效概率密度）f(t)产品在t时刻附近的单位时间段发生失效的概率失效率（瞬时失效率）λ(t)在t时刻尚未失效的产品在t时刻附近的单位时间段内发生失效的概率λ(t)的单位：1Fit=10-9/h（每十亿个小时的失效元件数）或者1Fpmh=10-6/h(每百万个小时的失效元件数)ttnNtfdttdFtf)(1)()()(^tdxxftF0)()()1)(()()(0dxxfdxxftRtttntNtRtftdttdRtRtRtftRtFt)()(1)()()()()(1)()()()(')(^^^14CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.01.2可靠性定量表征失效率的重要性tduutR0)(exp)(失效密度和失效率均反映可靠性的瞬态特性，但前者考核的是整批产品（包括失效的和未失效的）的失效概率，后者考核的是未失效产品的失效概率。在反映失效概率变化速率上，失效率比失效密度更灵敏已知失效率，可求出可靠性的其它指标tduutF0)(exp1)(tduuttf0)(exp)()(因此，失效率是表征产品可靠性的一个最重要的指标。15CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.01.2可靠性定量表征寿命:计算公式022)()(寿命方差dttft368.0/15.00＝特征寿命中位寿命可靠寿命eRRRRtrtrtr00)()(平均寿命dttRdtttf16CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.0CopyrightbyYiqiZhuang2013V1.01.2可靠性定量表征寿命:估值公式不可修复产品（θ是MTTF的估计值）当所有试验样品都观察到寿命终了的实际值时，θ是它们的算术平均值。若有N个产品投入试验，都观察到寿命终了期，寿命为ti的有ni个（i=1,2,…,k),则当不是所有试验样品都观察到寿命终了时，θ为累计试验时间T与失效数r之比kkiiinnnNNnt211^式中，rT^可修复产品（θ是MT