• 《嵌入式系统可靠性设计技术及案例解析》读书笔记(二)


    1、嵌入式失效率的影响要素:

      Vs = Vo * k1 * k2 * k3 * k4 * k5 * N

      Vs : 整机失效率
      Vo : 元器件平均失效率(1~3)*10^-5
      k1 : 降额因子(1~10)*10^-2
      k2 : 老练筛选效果因子 0.1 ~ 0.5
      k3 : 环境因子(实验室 0.5~1 室内 1.1 ~ 10 陆地固定 5~10 车载 13 ~ 30 等)
      k4 : 机械结构因子 1.5 ~ 2.5
      k5 : 制造工艺因子 1.5 ~ 3.5
      N : 元器件个数

    从上述公式可知,我们需要从如下一些领域进行可靠性设计:

      1.1 器件选型

        1)首要选择最熟悉、最通用的器件;
        2)考虑其缺陷对产品是否存在致命故障;
        3)若不得不选择,则必须要分析其失效机理;
          例如:瓷片电容抗机械应力差,则应该增加减震设计,如靠近安装柱、远离插拔件
        4)需要分析器件每一个参数数据并与实际设计建立联系,但并非关注每个参数;
          例如;普通膜式电阻,在潮湿、空气酸性的场合,封装形式就是关注重点;在限流电阻设计中,电阻的精度误差则是重点;

      1.2 降额

      备注:降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法

      降额是提升嵌入式可靠性最简单、最有效、最低成本的方法。

      1.3 环境条件

      1)应力计数法:将应力大小对失效率的影响考虑进去;
      2)注意整机环境 不等于 器件环境:

        例如:例如整机环境是-20 ~ 60,但在其散热片附近工作的器件可能承受的温度会逼近甚至超过75度;

      1.4 机械结构因子

      例如:机壳是钣金的,那么在固定柱很可能相差1mm,可能造成翘曲变形

      在整个过程中必须建立一致性,保证整个生命周期都在安全可靠的范围内:

      1)出厂前:

        设计:工程计算、竞争厂家、竞争产品、人员特长、技术标准;
        采购:是否定制、质量控制、供货时间、供应商
        加工:加工方法、批量、模具、喷漆、工装、电焊接;
        入厂检验:检验工装、检验指标、入厂检验
        生产:生产防护、现场条件、生产流程、生产工具
        调试:人员资质、调试工具、调试时间、调试设备;
        终检:终检指标、人员资质、终检时间、终检设备
        包装:包装搬运、包装方式、包装材料
        存储:存储分类、存储环境

      2)出厂后:

        运输:运输防护、运输湿度、运输温度、运输环境、包装方法、运输方法
        安装:装箱单、安装工具、安装时间、拆装方法
        调试:调试工具、输入条件、输出条件
        培训:培训记录、培训内容、培训人员
        验收:验收人员、验收规范、验收用工具、验收文档、验收方法
        应用现场:需求分类、注意事项标识、配套设备、电磁环境、用户水平、环境盐雾、环境湿度、环境温度、输出条件、输入条件
        维修:维修零部件、维修工具、维修时间、维修管理方式、故障诊断方法
        回收:回收费用、回收法规、再利用零部件、销毁方式


        例如: MSD元器件(湿敏元器件)就要求:
          1)在入检作业文件中,需要对拆包、入检环境做要求;
          2)焊接预处理工艺上,需要增加烘烤要求;
          3)考虑用户环境,必要的话涂三防漆;

          备注:三防漆是一种特殊配方的涂料,用于保护线路板及其相关设备免受环境的侵蚀。三防漆具有良好的耐高低温性能;其固化后成一层透明保护膜,具有优越的绝缘、防潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防老化、耐电晕等性能。

      1.5 元器件个数

        1)元器件个数越少越好,优先选择IC电路;

    2、嵌入式系统失效率曲线:

        MTBF = 1/V  V是失效率

        嵌入式系统的失效率包括早期失效率、偶发失效率、老化失效率,三种代表早、中、后的失效率,呈现浴盆曲线,即两头高中间低;

        

        工厂在出厂前都会有一道高温老化的工序,把早期失效率在车间内部完成;

    3、嵌入式系统的可靠性模型:

      1)串联结构模型:R = R1 * R2

      2)并联结构模型:R = 1 - (1 - R1) * (1 - R2)

    4、工作环境条件的确定

      1)在项目开始时要对规定的各种条件进行准确检测和定义,称为:设计输入环境调查

      2)具体包括如下:

        a)、环境因素:温度、风速、风向、昆虫、化学物质、照明状态、噪声、光闪、污染物、工作电源波动、电磁干扰、避雷错误、防静电
        b)、人的因素:视力、听力、触觉、操作距离、专业知识、培训等;
        c)、关联设备因素:输入、输出、控制设备
          按钮:可单手操作、尺寸是否合适、操作生效是否有触感、不同的按钮是否有防错措施;
          触摸屏:触摸有效性、定位精确、响应时间
        d)、设备本身:报警、软件界面、结构方面、标识方面、器件输出能力;

    5、容差分析和精度分配:

      容差分析:即考虑器件的最大误差并进行分析;

      精度分配步骤:

      1)得到系统的总精度的要求
      2)找出影响精度的各个模块
      3)推导出系统输出值与各模块测控物理量的工程计算公式;
      4)利用微分公式,按照工程经验将精度分配给各个影响参数;
      5)判断是否满足要求,若无法满足则重新到上一步骤;

    6、过渡过程:

      从一个稳态到另外一个稳态是一个过渡的过程,而非直接跳变完成;

      例如:电子产品在上电的时候,相当于在电路系统的电源端加入一个阶跃输入,在近似的二阶系统中,阶跃输入的响应曲线会有一个浪涌
      电流和超调电压;

      备注:除了上电过程,端口输出的阶跃信号波形、电磁阀继电器的开合电流、电机的启动过程、启动元件/液态流体控制元件的启停过程都面临类似问题;

    7、故障模式和失效分析(FMEA)

      1) DFMEA 设计阶段FMEA

      在方案设计阶段,根据应用的环境、运行的状态、器件的失效机理以及同类产品以往的投诉记录等,确定产品可能出现的故障模式,
      然后根据故障的危害程度S、发生概率O和可探测程度D三个量化的指标,定量计算风险顺序。

      RPN = S * O * D

      2) PFMEA 制造阶段FMEA

    8、阻抗连续性

      基本要求是路径阻抗尽量保持一致,如果不得不有阻抗变换的情况,必须采用缓变的设计形式;

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