|
|
知识路径： > 嵌入式系统硬件基础知识 > 电子电路设计 > 电子电路设计基础知识 > 电子电路可靠性设计 >
|
|
相关知识点：11个
|
|
|
|
|
电子设备的可靠性设计可以保证在绝大部分情况下电子设备能够稳定可靠地工作，同时在发生故障时可以将损失降到最低。在电子电路可靠性设计中，涉及可靠性定义、故障衡量、可靠性成本、可靠性设计和设计故障等概念。
|
|
|
|
|
|
可靠性的严格定义如下：“在规定的时间和环境条件下系统无故障运行的概率”。这个概率受到三个控制量的影响：
|
|
|
|
（1）故障的规定：许多系统在运行中可能出现不同级别的故障，有些故障可能导致整个嵌入式系统物理上的损毁，有些则可能对系统根本没有影响。
|
|
|
|
（2）工作寿命：嵌入式系统不可能永远运行，不同使用年限的电子器件、设备发生故障的概率也不同。
|
|
|
|
（3）实际环境：温度、适度、腐蚀性气液体、灰尘、震动、冲击、电源、磁场、各类辐射射线等对于设备的正常工作都会有一定的影响。实际环境的限制最终对于可靠性的评价有着实际意义的限制。
|
|
|
|
|
|
对于大多数电子设备来说，故障率是一个常数。一般来说，嵌入式设备的故障率会在设备运行初期较高，然后随着易损元器件被非易损替换，故障率会逐步下降。随着设备运行，并逐渐接近使用寿命，元器件会开始损耗，同时腐蚀率会升高，从而导致故障率会再次升高。所以通常会用某一方式衡量可靠性。
|
|
|
|
在确定时间内的故障率的倒数就是通常所指的平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures，MTBF）。一般用小时表示，而故障率使用每个小时故障的次数进行表示。MTBF通常与运行周期无关，可以方便地表示可靠性。
|
|
|
|
MTBF通常描述可以修复的设备的可靠性，而对不可以修复的设备，则无法使用该指标衡量。因此对于不可修复设备，一般使用平均失效时间（Mean Time To Failure，MTTF）来表示可靠性。一般的工厂生产该类设备时，会使用抽样调查的方式进行寿命测试，以此来估算MTTF。
|
|
|
|
对于可靠性，还有一个评价指标是可用性，表示系统工作的总时长中，正常可用的时间所占的比例，即一个设备正常服务的时间与正常和故障总时间的比值。通常可表示为U/（U+D），其中U表示正常运行的时间，D表示故障的时间。
|
|
|
|
|
|
嵌入式系统可靠性的提高需要一个团队人力、物力的大量投入。总的来说，投入的金钱与人月会随着可靠性的提升而先降低再提高，而维护成本则是先提升再降低。通过建立数学模型可以确定的是，将大量的资源投入提高很少的可靠性是不值当的。
|
|
|
|
|
|
嵌入式系统硬件相关的可靠性设计往往是为“在有限的资源下尽可能提高可靠性”。因此可靠性设计通常需要考虑如下因素，以平衡不同因素对可靠性的影响：
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
温度是影响所有电子元器件的重要因素之一，而所有元器件都会产生热量。过高的温度会对元器件造成不可逆转的损伤，并阻碍电流流动。而且高温也是元器件损害的最主要的原因。同时过低温也会损坏电子设备。一般来说设备需要工作在所设计的环境中，不同级别的设备会对不同环境的耐受级别不同，因此根据不同用途要选择合适的设备，同时使用适当的散热或者保温措施。
|
|
|
|
重要的是，元器件工作在标称额定值（环境）以内对电子设备的可靠性会有较大的提升。对于电容、电阻等元器件和各类芯片，都会对电压、电阻、功率、频率等有着严格的规定。保证电子元器件、电路工作在合理的环境中可以有效的保护元器件、降低故障发生的可能，提高可用性。此外选用高可靠的元器件也可以有效地提高可靠性。在选用可靠的元器件并对环境做出保证后，还应当进行筛选和老化实验保证元器件的一部分不合格元器件筛除。
|
|
|
|
根据概率论的相关知识，若假设所有元器件出错的概率为p，而n个元器件中任意元器件出错都会导致系统崩溃，则整个系统出错的概率为1-（1-p）n。当n增加时，出错的概率会以指数形式增长。因此，降低元器件个数、简化设计可以有效地降低故障发生的概率从而提高可靠性。当一个部件的故障率为p而同时有n个冗余部件时，其整体故障的概率为pn。可以看出，当冗余元器件增多的时候，整体的故障概率会成指数形式降低。因此，有效的冗余设计可以保证系统的可靠性提高。
|
|
|
|
|
|
正如“设计故障”字面意思所揭示的，许多故障是由设计者人为设计的，一个最极端的例子将电源两端使用电阻连接，但是使用的是0欧姆电阻。所以可靠性设计中对于经验的依赖十分重要，由于设计者本身的经验缺乏或者其他问题造成的系统可靠性降低是不容易解决的，但是又不容易避免。因此，设计审查是必不可少的环节，“设计故障”在实际的生产过程中应该极力避免。
|
|
|
