《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；