硬件可靠性設(shè)計(jì)怎么做

時(shí)間：2016-12-05 17:21:11 沈迪豪908由分享

　　大家知道硬件可靠性設(shè)計(jì)要怎么做嗎?下面是學(xué)習(xí)啦小編收集整理關(guān)于硬件可靠性設(shè)計(jì)的資料以供大家參考學(xué)習(xí)，希望大家喜歡。

　　硬件可靠性設(shè)計(jì)

　　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(shí)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(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品或系統(tǒng)在該時(shí)刻后單位時(shí)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(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，R(t),稱(chēng)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(shí)間內(nèi)未完成規(guī)定功能的概率，記為F(t)

　　平均無(wú)故障時(shí)間： MTBF(mean time between failure)又稱(chēng)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(wú)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(cuò)誤避免即通過(guò)使用更高質(zhì)量、更高可靠性的元器件、部件來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，其實(shí)現(xiàn)成本比容錯(cuò)設(shè)計(jì)低。容錯(cuò)設(shè)計(jì)主要是通過(guò)部件的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，增加冗余單元，同時(shí)也就增加成本的方法達(dá)到提高系統(tǒng)的可靠性

　　3.可靠性設(shè)計(jì)方法

　　元器件：構(gòu)成系統(tǒng)的基本部件，作為設(shè)計(jì)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(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求

　　降額設(shè)計(jì)：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(dá)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(jí)降額，一級(jí)降額((實(shí)際承受應(yīng)力)/(器件額定應(yīng)力) < 50%的降額)，建議使用二級(jí)降額設(shè)計(jì)方法，一級(jí)降額<70%

　　冗余設(shè)計(jì)：也稱(chēng)為容錯(cuò)技術(shù)或故障掩蓋技術(shù)，它是通過(guò)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(lái)提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)方法主要包括：硬件冗余;軟件冗余;信息冗余;時(shí)間冗余等

　　電磁兼容設(shè)計(jì)：系統(tǒng)在電磁環(huán)境中運(yùn)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(jì)的目的是使系統(tǒng)既不受外部電磁干擾的影響，也不對(duì)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(yùn)行監(jiān)視及故障自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)等

　　故障自動(dòng)檢測(cè)及診斷

　　軟件可靠性設(shè)計(jì)：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(xiǎn)技術(shù)

　　熱設(shè)計(jì)

　　EMC設(shè)計(jì)：電磁兼容(EMC)包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感度(EMS)兩個(gè)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(píng)分分配法;動(dòng)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(jī)理：溫度;濕度;電壓;機(jī)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(xiàn)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(xiàng)：電流通過(guò)管子時(shí)會(huì)使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過(guò)容許限度;反向電壓高到一定值時(shí)，會(huì)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(jì)(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(jì)

　　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(méi)有保護(hù)二極管D1存在，故不存在上述灌流通路。需要注意的是這時(shí)接口的輸入、輸出信號(hào)線(xiàn)上不能加上拉電阻

　　熱插拔設(shè)計(jì)：電路板上電或熱插拔時(shí)會(huì)從電源拉出很大的啟動(dòng)電流并導(dǎo)致電源電壓的波動(dòng)，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(gè)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(shí)整個(gè)系統(tǒng)損壞;最簡(jiǎn)單的限流元件是保險(xiǎn)絲;正確的電路板上電次序：電路板的地，電源，復(fù)位，信號(hào)

　　過(guò)流保護(hù)：在電路板的電源入口處串聯(lián)小阻值的PTC元件可對(duì)電源進(jìn)行有效保護(hù)

　　反射波干擾：電信號(hào)(電流、電壓信號(hào))在沿導(dǎo)線(xiàn)傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于分布電感、電容和電阻的存在，導(dǎo)線(xiàn)上各點(diǎn)的電信號(hào)并不能馬上建立，而是有一定的滯后，離信號(hào)源越遠(yuǎn)，電壓波和電流波到達(dá)的時(shí)間越晚。當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)的阻抗有變化(如背板線(xiàn)與電路板內(nèi)的信號(hào)線(xiàn)、接插件等)或負(fù)載阻抗與線(xiàn)路阻抗不匹配時(shí)，將對(duì)電信號(hào)產(chǎn)生反射和折射;

　　最大匹配線(xiàn)長(zhǎng)度計(jì)算：方法一定義：信號(hào)在傳輸線(xiàn)上的反射波的振蕩過(guò)程如果在芯片的傳輸延遲時(shí)間內(nèi)，反射波將不影響芯片的工作，將信號(hào)在傳輸時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱(chēng)作最大匹配線(xiàn)長(zhǎng)度，當(dāng)傳輸線(xiàn)超過(guò)匹配長(zhǎng)度時(shí)，稱(chēng)為長(zhǎng)線(xiàn)傳輸，此時(shí)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(shí)間(ns)V電磁波速度(1.4~2)×108m/s， K―經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取k=4～5;方法二定義：如果信號(hào)在傳輸線(xiàn)上往返一次的時(shí)間比信號(hào)的上升時(shí)間短，則認(rèn)為該傳輸線(xiàn)不匹配也不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，lmax=(V×tr/6)×10-9(m)式中V(3×108m/s)，tr：信號(hào)上升時(shí)間，兩種長(zhǎng)線(xiàn)的計(jì)算方式都與信號(hào)的頻率無(wú)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(dòng)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(lái)濾波

　　靜電干擾

　　上電復(fù)位：通常要求復(fù)位信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)

　　時(shí)鐘信號(hào)的匹配方法：有源端串聯(lián)匹配和終端并聯(lián)匹配