硬件可靠性設(shè)計怎么做
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硬件可靠性設(shè)計
1.可靠性的基本概念
可靠性的定義：產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力
失效率：故障率，指工作到某一時刻尚未失效的產(chǎn)品或系統(tǒng)在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率
可靠度：指產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，R(t),稱為可靠度函數(shù)
不可靠度：累積失效概率，是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)未完成規(guī)定功能的概率，記為F(t)
平均無故障時間： MTBF(mean time between failure)又稱為平均壽命，是產(chǎn)品壽命的平均值;
2.可靠性模型
串聯(lián)系統(tǒng)：隨著串聯(lián)單元數(shù)的增加，系統(tǒng)的可靠度隨之減小，無冗余的
并聯(lián)系統(tǒng)：隨著并聯(lián)單元數(shù)的增加，系統(tǒng)的可靠度隨之增大，有冗余的
混合系統(tǒng)
提高可靠性的方法：錯誤避免即通過使用更高質(zhì)量、更高可靠性的元器件、部件來提高系統(tǒng)的可靠性，其實現(xiàn)成本比容錯設(shè)計低。容錯設(shè)計主要是通過部件的冗余來實現(xiàn)，即通過增加設(shè)計的復(fù)雜性，增加冗余單元，同時也就增加成本的方法達到提高系統(tǒng)的可靠性
3.可靠性設(shè)計方法
元器件：構(gòu)成系統(tǒng)的基本部件，作為設(shè)計與使用者，主要是保證所選用的元器件的質(zhì)量或可靠性指標(biāo)滿足設(shè)計的要求
降額設(shè)計：使電子元器件的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谄湟?guī)定的額定值，從而達到降低基本故障率，保證系統(tǒng)可靠性的目的。幅度的大小可分為一、二、三級降額，一級降額((實際承受應(yīng)力)/(器件額定應(yīng)力) < 50%的降額)，建議使用二級降額設(shè)計方法，一級降額<70%
冗余設(shè)計：也稱為容錯技術(shù)或故障掩蓋技術(shù)，它是通過增加完成同一功能的并聯(lián)或備用單元(包括硬件單元或軟件單元)數(shù)目來提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計方法，實現(xiàn)方法主要包括：硬件冗余;軟件冗余;信息冗余;時間冗余等
電磁兼容設(shè)計：系統(tǒng)在電磁環(huán)境中運行的適應(yīng)性，即在電磁環(huán)境下能保持完成規(guī)定功能的能力。電磁兼容性設(shè)計的目的是使系統(tǒng)既不受外部電磁干擾的影響，也不對其它電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。硬件措施主要有濾波技術(shù)、去耦電路、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)等;軟件措施主要有數(shù)字濾波、軟件冗余、程序運行監(jiān)視及故障自動恢復(fù)技術(shù)等
故障自動檢測及診斷
軟件可靠性設(shè)計：為了提高軟件的可靠性，應(yīng)盡量將軟件規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化
失效保險技術(shù)
熱設(shè)計
EMC設(shè)計：電磁兼容(EMC)包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感度(EMS)兩個方面
可靠性指標(biāo)分配原則：等分配法;再分配法;比例分配法;綜合評分分配法;動態(tài)規(guī)劃分配法
4.常用器件的可靠性及選擇
元器件失效特性：突然失效;退化失效;局部失效;全局失效
元器件失效機理：溫度;濕度;電壓;機械;…… 溫度每升高10℃，ICQ(反向漏電流)將增加一倍;溫度的升高將使晶體管的最大允許功耗下降
元器件選擇
電阻：E-24 允差±5%;E-96 允差±1%，一般情況下，分布電容Cd為0.2～0.5pF;包括引線電感在內(nèi)，剩余電感Ls為10～30nH。
電容：容許誤差;耐壓;絕緣電阻
二極管使用注意事項：電流通過管子時會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度;反向電壓高到一定值時，會將管子擊穿;反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶?，反向電流與溫度有著密切的關(guān)系，大約溫度每升高10 ℃ ，反向電流增大一倍
光耦合器
硬件可靠性設(shè)計(2)
集成電路：74HC器件不用的輸入引腳不能懸空，74LS器件不用的輸入引腳可以懸空，默認(rèn)高電平
5.電路設(shè)計
電流倒灌：最有效的解決方法是使用雙極型的器件(如LS器件，ABT器件)作為接口，由于雙極型器件沒有保護二極管D1存在，故不存在上述灌流通路。需要注意的是這時接口的輸入、輸出信號線上不能加上拉電阻
熱插拔設(shè)計：電路板上電或熱插拔時會從電源拉出很大的啟動電流并導(dǎo)致電源電壓的波動，此現(xiàn)象控制不當(dāng)將影響系統(tǒng)中其它電路的正常使用，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)的損壞;熱插拔電路的最低要求是提供浪涌電流限制，防止在大的容性負(fù)載加電時整個系統(tǒng)損壞;最簡單的限流元件是保險絲;正確的電路板上電次序：電路板的地，電源，復(fù)位，信號
過流保護：在電路板的電源入口處串聯(lián)小阻值的PTC元件可對電源進行有效保護
反射波干擾：電信號(電流、電壓信號)在沿導(dǎo)線傳輸?shù)倪^程中，由于分布電感、電容和電阻的存在，導(dǎo)線上各點的電信號并不能馬上建立，而是有一定的滯后，離信號源越遠，電壓波和電流波到達的時間越晚。當(dāng)導(dǎo)線的阻抗有變化(如背板線與電路板內(nèi)的信號線、接插件等)或負(fù)載阻抗與線路阻抗不匹配時，將對電信號產(chǎn)生反射和折射;
最大匹配線長度計算：方法一定義：信號在傳輸線上的反射波的振蕩過程如果在芯片的傳輸延遲時間內(nèi)，反射波將不影響芯片的工作，將信號在傳輸時間內(nèi)所傳播的距離稱作最大匹配線長度，當(dāng)傳輸線超過匹配長度時，稱為長線傳輸，此時需要考慮采取措施抑制反射波干擾 ，tPD―數(shù)字電路的傳輸延遲時間(ns)V電磁波速度(1.4~2)×108m/s， K―經(jīng)驗常數(shù)，取k=4～5;方法二定義：如果信號在傳輸線上往返一次的時間比信號的上升時間短，則認(rèn)為該傳輸線不匹配也不會對信號產(chǎn)生影響，lmax=(V×tr/6)×10-9(m)式中V(3×108m/s)，tr：信號上升時間，兩種長線的計算方式都與信號的頻率無關(guān);抑制或削弱反射波干擾的方法有：阻抗匹配，采用輸入/輸出驅(qū)動器，降低輸入阻抗，采用光電耦合，采用差分傳輸技術(shù)
電源干擾：尖峰電流的抑制方法通常是使用去耦電容來濾波
靜電干擾
上電復(fù)位：通常要求復(fù)位信號有足夠的寬度以保證處理器或其它電路得到可靠復(fù)位
時鐘信號的驅(qū)動
時鐘信號的匹配方法：有源端串聯(lián)匹配和終端并聯(lián)匹配
6.PCB設(shè)計
布線
去耦電容
時鐘信號
系統(tǒng)可靠性測試
環(huán)境適應(yīng)性測試
EMC測試
其它測試
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