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實用資料－－電子通信產(chǎn)品的硬件可靠性設(shè)計 |
| 作者：chunyang 欄目：通信技術(shù) |
產(chǎn)品可靠性設(shè)計涉及到很多方面，要全面開展起來有一定困難。但是，如果在設(shè)計階段不采取必要的措施，開發(fā)出的產(chǎn)品可靠性合格的概率是很低的，這就是所謂的“預(yù)則立，不預(yù)則廢”，決不是危言聳聽。所以，產(chǎn)品的項目負(fù)責(zé)人及所有研發(fā)人員從工作的一開始就應(yīng)該強(qiáng)化可靠性意識，從力所能及的幾個方面貫徹可靠性設(shè)計的思想和方法，盡可能提高產(chǎn)品的可靠性。本文詳細(xì)描寫了電子通信產(chǎn)品的硬件可靠性設(shè)計的要點和方法，生動地闡述設(shè)計評審的意義，希望能給項目負(fù)責(zé)人及廣大硬件研發(fā)人員有所幫助。 1、可靠性需求分析和指標(biāo)體系的建立 產(chǎn)品的可靠性需求分析，分定量和定性兩個方面。單板及系統(tǒng)的平均故障間隔時間MTBF（或平均致命故障間隔時間MTBCF）、可用度、環(huán)境條件、溫升控制、電磁兼容指標(biāo)等可以定量地給予明確規(guī)定。保障性、維修性、可生產(chǎn)性、不允許發(fā)生事件等方面要定量規(guī)定有些困難，但是也應(yīng)該做一些定性的規(guī)劃。在研制規(guī)范中有一個章節(jié)叫“不允許發(fā)生的事件”，我在審核文件中發(fā)現(xiàn)，這部分的規(guī)定都很馬虎，往往只對顯而易見的一些事件進(jìn)行了非常輕描淡寫的“不允許發(fā)生”的規(guī)劃，并沒有對各種潛在的約束條件可能導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生的故障進(jìn)行約束，所以，我們經(jīng)常發(fā)生這樣的情況：測試規(guī)程、測試用例的設(shè)計不能覆蓋產(chǎn)品的方方面面，待產(chǎn)品量產(chǎn)或投入市場運行后故障百出卻悔恨當(dāng)初規(guī)劃或測試不到位。 需要說明的是，MTBF或MTBCF的指標(biāo)及其分配要盡可能合理一些，要想一想，我們確定的指標(biāo)是否可以實現(xiàn)，是否有市場競爭優(yōu)勢。王錫吉教授的《一種新的可靠性指標(biāo)預(yù)計方法與應(yīng)用》介紹了適用于整機(jī)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)預(yù)計的方法RZTEA和硬件單板的可靠性指標(biāo)預(yù)計方法RZTEB，十分適用于我們產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)預(yù)計。何國偉教授的《RMST的系統(tǒng)分析》給我們由單板可靠性指標(biāo)推算系統(tǒng)的可靠性、可用度指標(biāo)的方法，建議大家認(rèn)真閱讀、學(xué)習(xí)上述文章，以便在產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的確定、分配、預(yù)計工作中得到幫助。 2、降額設(shè)計 所謂降額，就是要使元器件在設(shè)備中實際使用時可能承受的應(yīng)力小于其額定應(yīng)力。不同的元器件所要考慮的應(yīng)力因素是不一樣的，有的是電壓，有的是電流，有的是溫度，有的是頻率，有的是振動，等等。對電容的耐壓及頻率特性，電阻的功率，電感的電流及頻率特性，二極管、三極管、可控硅、運放、驅(qū)動器、門電路等器件的結(jié)電流、結(jié)溫或扇出系數(shù)，電源的開關(guān)和主供電源線纜的耐電壓/電流和耐溫性能，信號線纜的頻率特性，還有散熱器、接插件、模塊電源等器件的使用要求進(jìn)行降額設(shè)計。 通常，根據(jù)降額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）在技術(shù)設(shè)計上最容易實現(xiàn)，降額的效果也最好，但存在成本過高的問題；二級降額（70%左右的降額）在技術(shù)設(shè)計上也比較容易實現(xiàn)，降額的效果也很好，并且成本適中；三級降額在技術(shù)實現(xiàn)上要仔細(xì)推敲，必要時要通過系統(tǒng)設(shè)計采取一些補(bǔ)償措施，才能保證降額效果的實現(xiàn)，所以說有一定難度，但三級降額的成本最低。一般說來，我們建議使用二級降額設(shè)計方法，在保證降額設(shè)計取得良好的效果的同時，技術(shù)實現(xiàn)難度和成本都適中。對于涉及到頻率特性的器件的降額要謹(jǐn)慎處理。 3、熱設(shè)計 確定產(chǎn)品的運行環(huán)境溫度指標(biāo)，確定設(shè)備內(nèi)部及關(guān)鍵元器件的溫升限值。一般說來，元器件工作時的溫度上升與環(huán)境溫度沒有關(guān)系，而民用級別的元器件的允許工作溫度大多在70~85℃，為了保證在極限最高環(huán)境溫度（50℃左右）下元器件的工作溫度還在其允許溫度范圍內(nèi)并有相當(dāng)?shù)娜哂喽�，設(shè)備內(nèi)部及元器件的溫升設(shè)計指標(biāo)定在15℃左右比較合適。在硬件單板設(shè)計時，首先應(yīng)該明確區(qū)分易發(fā)熱器件和溫度敏感器件（即隨著溫度的變化器件容易發(fā)生特性漂移、變形、流液、老化等），布PCB板時要對易發(fā)熱器件采取散熱措施，溫度敏感器件要與易發(fā)熱器件和散熱器隔開合適的距離，必要時要從系統(tǒng)的角度考慮采取補(bǔ)償措施。系統(tǒng)或子系統(tǒng)通過自然散熱（通風(fēng)、對流等）措施不能保證設(shè)備內(nèi)部及關(guān)鍵元器件溫升限值指標(biāo)得到保證時，需要采取強(qiáng)迫制冷措施。注意，對整機(jī)系統(tǒng)，強(qiáng)迫制冷措施要盡可能在高發(fā)熱部位附近實施，要盡量避免使用把熱空氣送到本來發(fā)熱不大的部位的散熱路線。 散熱設(shè)計究竟怎樣才算合適？我們可以通過一些仿真工具進(jìn)行初步的設(shè)計（美國Ansys公司的熱分析和仿真軟件和FLOTHERM軟件得到了普遍的使用），拿出一個方案，然后，通過“設(shè)計—仿真—修改設(shè)計一再仿真——測試驗證—設(shè)計修正—再測試”的工程方法來實現(xiàn)。不同的設(shè)備，其運行的環(huán)境溫度極限值指標(biāo)是不盡相同的。對于大多數(shù)用于電信中心的通信設(shè)備來說，可以參照交換機(jī)的總技術(shù)規(guī)范書。為了充分保證產(chǎn)品整機(jī)系統(tǒng)的可靠性，一般說來，要求系統(tǒng)在規(guī)定的運行高溫條件下至少連續(xù)72小時運行功能正常實現(xiàn)且性能指標(biāo)沒有任何程度的下降，在規(guī)定的運行低溫條件下至少連續(xù)72小時運行不會引起功能的喪失和性能指標(biāo)的下降。 這里需要提醒的一點是，整機(jī)散熱設(shè)計，往往要開辟一些通風(fēng)孔、通風(fēng)槽，要使用一些易散熱材料，與電磁屏蔽設(shè)計會存在一些矛盾，而一般說來，電磁屏蔽的設(shè)計難度要大于散熱設(shè)計，所以，在進(jìn)行整機(jī)散熱設(shè)計時一定要處理好與電磁兼容設(shè)計之間的關(guān)系。也就是說，什么位置開通風(fēng)孔/通風(fēng)槽、如何確定孔的面積/數(shù)量、槽的材料，如何處理縫隙等都需要仔細(xì)推敲。好在電信中心使用的通信設(shè)備在電磁兼容方面的要求只等同于通用標(biāo)準(zhǔn)CISPR22中規(guī)定的CLASS A的要求，加之現(xiàn)在的大多數(shù)PCB板都采用多層布線方式，在PCB一級電磁輻射水平大大降低而抗輻射能力又大大提高，從而使整機(jī)的電磁屏蔽設(shè)計的難度也大大降低，所以說，我們要處理好散熱設(shè)計和電磁兼容設(shè)計的關(guān)系不是很困難的。 4、電氣兼容性設(shè)計（或信號完整性設(shè)計） 電氣兼容性是指設(shè)備內(nèi)部組件之間以及設(shè)備與設(shè)備之間有相互連接關(guān)系的信號的電氣特性，如信號的電平閾值誤差、信號脈沖的寬度、信號脈沖的上升沿和下降沿的陡度及過沖與下沖、信號的延時和抖動、模擬信號的失真度、光收發(fā)器件的發(fā)送功率和接受靈敏度及誤碼率、無線發(fā)射信號的功率及無線接收設(shè)備的接收靈敏度等，在一定的誤差范圍內(nèi)能夠“互相容忍”，保證功能的正常實現(xiàn)。建議對以下幾方面給予關(guān)注：  各功能單板對電源的電壓波動范圍、紋波、噪聲、負(fù)載調(diào)整率等方面的要求予以明確，二次電源經(jīng)傳輸?shù)竭_(dá)功能單板時要滿足上述要求。  選用專用器件時要檢查其電氣性能指標(biāo)是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。  對高速、高頻電路，信號之間的串?dāng)_問題。  在研發(fā)階段的調(diào)試、電源拉偏試驗、高低溫試驗中，要注意檢查信號經(jīng)傳輸后到達(dá)“對方”該信號的接收端時是否符合“對方”設(shè)備對輸入信號的各方面電氣指標(biāo)要求，即信號經(jīng)過傳輸后電氣性能發(fā)生的變化是否在“對方”設(shè)備接受信號的容差范圍內(nèi)，以排除影響電氣性能長期穩(wěn)定性的不良因素。  有條件時進(jìn)行時鐘拉偏、抖動注入等試驗，驗證設(shè)備的容差能力。 上述幾點很重要。我們經(jīng)常在調(diào)試或可靠性試驗中忽略這些，往往是在調(diào)試和試驗的過程中只觀察功能而不去檢查信號的質(zhì)量，對信號已經(jīng)發(fā)生偏差甚至到了“邊緣”狀態(tài)并不清楚，所以就不可能去采取糾偏措施，等設(shè)備投入量產(chǎn)、運行后，經(jīng)常碰到原因不明不白的故障，只能通過反復(fù)換板的辦法來解決，而換板以后時間一長就舊病復(fù)發(fā)。 5、電磁兼容設(shè)計 對電工、電子產(chǎn)品來說，電磁兼容包括整機(jī)系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的兼容和設(shè)備內(nèi)部部件與部件、分系統(tǒng)與分系統(tǒng)之間的兼容。電磁兼容的問題要在開發(fā)工作的前期就給予高度重視，這是因為：1、電磁兼容問題首先是質(zhì)量問題。國外早就發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入數(shù)字化時代之后，很多電子設(shè)備經(jīng)常發(fā)生讓人摸不著頭腦的質(zhì)量問題就是因為數(shù)字化電子設(shè)備更容易受各種電磁騷擾（尤其是靜電放電、電脈沖群、雷電感應(yīng)等各種脈沖騷擾）的影響而造成的；我們公司可靠性部在近兩年解決一些老大難問題之后也證實，我們設(shè)備的故障率及單板返修率居高不下的主要原因之一就是我們的產(chǎn)品EMC設(shè)計不充分。2、電工電子產(chǎn)品、信息技術(shù)設(shè)備的電磁兼容（及電安全性）都有具體的標(biāo)準(zhǔn)或通用標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)市場（尤其軍用設(shè)備）已經(jīng)對這一問題越來越重視，信息產(chǎn)業(yè)部早在九七年就計劃對電信產(chǎn)品（包括已經(jīng)在網(wǎng)上運行的設(shè)備）實施電磁兼容強(qiáng)檢強(qiáng)測制度，只是由于測試條件一直不成熟而未能執(zhí)行�，F(xiàn)在信息產(chǎn)業(yè)部通信計量中心的電磁兼容測試中心已經(jīng)建成并投入使用，國標(biāo)《電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電磁兼容性要求》也已經(jīng)由通信計量中心、中興、華為三家起草完成，今年底將上報有關(guān)部門審批，隨后就會執(zhí)行上述制度。在國際貿(mào)易中，電磁兼容幾乎已成為發(fā)達(dá)國家對其他技術(shù)相對落后的國家設(shè)立的技術(shù)壁壘。隨著歐盟的89/336 EEC指令于1996年1月1日生效（注：該指令在今年春天進(jìn)行了修改），美、日、澳等國家和地區(qū)的政府都頒布了相應(yīng)的指令，嚴(yán)禁電磁兼容性不符合它們的標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品進(jìn)入這些國家和地區(qū)的市場或在其范圍內(nèi)生產(chǎn)，所以說，電磁兼容性（及安全性）合格標(biāo)志是出口產(chǎn)品的“護(hù)照”。我公司在電信設(shè)備出口方面已經(jīng)走在同行的前面，公司的目標(biāo)是在幾年內(nèi)國際業(yè)務(wù)達(dá)到50%的分額，所以，我們的電磁兼容工作更加要抓緊開展，決不能因這方面的工作不到位而影響國際市場的開拓。3、電磁兼容的問題如果在產(chǎn)品研發(fā)的早期階段不充分考慮、不精心設(shè)計，一旦產(chǎn)品成型后，其達(dá)標(biāo)的概率非常小，而且解決問題所面臨的困難、需要花費的人力和代價將會非常大。上述幾點必須首先得到中高層領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)識和理解，否則電磁兼容工作幾乎推動不下去。 |
| 2樓： | >>參與討論 |
| 作者： 南方的老樹 于 2005/5/31 18:20:00 發(fā)布：
好文，頂 是chunyang的原創(chuàng)嗎？ |
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| 3樓： | >>參與討論 |
| 作者： chunyang 于 2005/5/31 20:02:00 發(fā)布：
不敢，搜集整理而來 |
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| 4樓： | >>參與討論 |
| 作者： luoqiang28 于 2005/6/2 13:20:00 發(fā)布：
好 |
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| 5樓： | >>參與討論 |
| 作者： leinuo 于 2005/6/3 18:32:00 發(fā)布：
好文章.勤勞的人...謝謝. |
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| 6樓： | >>參與討論 |
| 作者： manwang 于 2005/6/15 22:22:00 發(fā)布：
謝謝！ |
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| 7樓： | >>參與討論 |
| 作者： kingor_888 于 2005/6/16 10:51:00 發(fā)布：
個人經(jīng)驗，能注意這些方面的人，方可稱為合格的工程師 個人經(jīng)驗，能注意這些方面的人，方可稱為合格的硬件工程師，否則，永遠(yuǎn)是2流 |
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| 8樓： | >>參與討論 |
| 作者： rfid2005 于 2005/6/16 12:08:00 發(fā)布：
謝謝 |
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| 9樓： | >>參與討論 |
| 作者： JohnSharc 于 2005/6/18 23:46:00 發(fā)布：
呵呵,hw地內(nèi)部資料 |
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| 10樓： | >>參與討論 |
| 作者： jom 于 2005/6/30 11:07:00 發(fā)布：
好文章 頂 |
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| 11樓： | >>參與討論 |
| 作者： MCUATCN 于 2006/1/23 11:09:00 發(fā)布：
好東西 頂 |
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