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1、第四节 电子产品的可靠性设计可靠性概念 电子产品的可靠性是指它的有效工作寿命。即它能够完成某一特定功能的时间。（也可定义为产品在规定的时间内，按规定的条件，完成规定功能的能力。）规定的时间：规定的条件：规定功能：电子产品可靠性设计的涉及面非常广泛。它涉及到产品的可靠性模型，可靠度和维修的要求，预计和分配，可靠性费用设计和各种保证产品可靠性的技术措施。下面主要介绍产品可靠性设计的指导思想和基本原则。1.简化的设计方案 从产品可靠性的角度来看，产品愈复杂，所用的元器件愈多，则产品的可靠性就越低。例如元器件的可靠性为0995时（平均数），具有10个元器件的设备，其可靠性为096；而具有100个元器件
2、的设备，其可靠性只有060。因此，在满足产品性能要求的前提下，尽量简化设计方案，减少所用元器件数目，是提高产品可靠性的重要环节。同时也要尽量选用可靠性高的元器件。为了合理地实现简化，应充分注意下列原则：（1）合理确定指标和性能，避免盲目追求高性能和高指标。（2）综合利用硬件与软件的功能，充分发挥软件的功能，以减少硬件的数量。（3）尽量采用经过优化设计和实际考验的标准电路单元。（4）积极慎重地采用新技术、新器件。（5）对数字逻辑电路要进行简化设计。（6）尽可能采用集成度较高的集成电路。（7）尽可能采用数字电路来代替线性电路。2.兼顾可靠性与经济性 可靠性与经济性两者间必须合理兼顾。为了提高产品的
3、可靠性，就要在材料、工艺、设备和管理等方面采取相应措施，这将导致生产和科研费用的增加，但使用维修费用却随着可靠性提高而降低，因而总的费用却不一定增加。如果可靠性指标定得适当，总费用可达最低水平。反之，若可靠性指标低，就必须增大使用和维修费用，总费用仍有可能增加，使经济遭受损失。3.提高元器件的可靠性 元器件可靠性通常是用失效率来表征的。实践发现，普通元器件和半导体元器件的失效规律有相同之处，但也不完全相同。了解元器件的失效规律，对于正确使用元器件，从而提高产品的可靠性是很有益的。（1）元器件的失效规律对于阻容元件、继电器等普通元器件来说，发现它们有相似的失效规律，右图表示了典型元器件的失效率与
4、工作时间的关系。这条关系曲线就是通常所说的马鞍形曲线或浴盆曲线，它划分为三个阶段：早期失效期：由设计、制造上的缺陷等原因而造成的失效叫早期失效，发生早期失效的期间叫早期失效期。其特点是失效率较高，但随着元器件工作时间的增加而失效率迅速降低。通过对原材料和生产工艺加强检验和质量控制，可以大大减少早期失效比例。在生产中对元器件进行筛选老化，可使其早期失效大大降低，以保证筛选后的元器有较低的失效率。偶然失效期：产品因偶然因素引起的失效叫偶然失效。产品在早期失效之后，失效主要表现为偶然失效的时期叫偶然失效期，也称随机失效期。其特点是失效率低而基本稳定，可以认为失效率是一个常数，与时间无关。失效是随机性
5、质的。偶然失效期时间较长，是元器件的使用寿命期，研究这一段失效意义最大。耗损失效期：产品在使用的后期，由于老化、疲劳、耗损等原因引起的失效叫耗损失效。主要发生耗损失效的时期叫耗损失效期，又叫老化失效期。其特点是失效率随时间迅速增加。到了这个时期，大部分元器件都开始失效，产品迅速报废。在电子设备中，所有的元器件和组件都不能工作于耗损失效期。对半导体器件而言，它的寿命长、稳定可靠，所以其失效特性有特殊的地方，如图所示。早期失效和一般元件相同，失效率随时间增加迅速下降。失效原因通常是由于原材料缺陷和工艺因素所引起。在偶然失效期，失效率低且随时间递减。这一时期失效率近似为一常数，是半导体器件最好的工作
6、时期。半导体器件没有耗损失效期，这是其特殊性所在。类似半导体器件失效规律的电子元器件还有固体钽电解电容器，它的结构和特性类似于半导体二极管。（2）元器件的可靠性：一般元器件的可靠性通常用失效率表示。由于元器件都工作在偶然失效期，其失效率为常数。失效率(t)与可靠度R(t)之间的关系为 上式说明了正常工作概率（可靠度）在时间上是按指数衰减的。当产品的工作时间等于产品平均正常工作时间（平均寿命）时，产品的可靠度约为037。因此，要获得较高的可靠度，产品的工作时间应远小于产品的平均寿命，也就是工作时间越短其可靠性越高。电子元器件失效率数据，可以通过对它的可靠性试验求得：=失效数运用总数运用时间元器件
7、失效率参数由生产厂家提供，应按照电子产品的可靠性要求和成本控制要求等选择使用。下表为元器件实际失效率元器件失效率（1/h）元器件失效率（1/h）半导体器件开关晶体管4110-9电阻器固定碳膜电阻器1410-9双极晶体管4110-8固定电阻器410-9功率晶体管1610-8可变碳膜电阻器2110-9单结晶体管8310-8可变电阻器2710-8二极管(用于逻辑)8010-11电容器金属化纸质电容1510-8二极管(用于整流)1710-9（3）使用条件对可靠性的影响：使用条件包括工作环境条件和负荷条件两方面。工作条件不同元器件的失效率变化很大，有时可相差几百倍，一般地说，所处的环境条件越恶劣，其失效
8、率越大。2.可靠性度量指标：整机的可靠性与它所使用的元器件的可靠性、元器件的数量、电路设计的质量、产品的结构类型等有关。对于不同的产品，可用无故障率、可靠度、失效率等度量指标来表示其可靠性。无故障率：是指在实际使用条件下和所要求的时间内，系统参数处于给定的偏差范围内的概率。计算时常用它的相对量-失效率。预期寿命（平均无故障时间）=1/失效率 可靠度R（t）：是系统在规定的条件和时间内完成规定功能的概率。可用表达式：R=1-F F：表示系统在规定的条件和时间内丧失规定功能的概率称为失效概率。失效概率的计算：取N个同类产品，若在规定的条件和时间下有n个失效，则失效概率为：F=n/N 那么：R=(N
9、 n)/N=1-F失效率：对于电子元器件来说，寿命结束就叫失效。电子元器件的失效率是一个很小的常数。其失效数据可通过可靠性试验求得：=失效数/（运用总数*运行时间）产品的的失效率是由组成它的元器件和部件的失效率求出。其表达式：式中：n-元器件种类；Ni-第i种元器件 g-第i种元器件通用失效率 Q-第i种元器件质量系数总失效率求出后就可求出产品的可靠性。失效率的单位：菲特（Fit）。1 Fit=10-9/h即100万个元器件运用1000小时有1个失效，就叫1 Fit。元器件的可靠度R（t）可表达为：则电子元器件的预期寿命计算公式：例如：某产品由例如：某产品由2 2个硅二极管，个硅二极管，4 4
10、个硅个硅NPNNPN三极管，三极管，5 5个金属膜电阻，个金属膜电阻，2 2个陶瓷电容、个陶瓷电容、1 1个石英晶体构成，个石英晶体构成，分别求产品分别求产品3030天、天、365365天的可靠度。天的可靠度。它们的失效率和它们的失效率和质量系数系数如下表：质量系数系数如下表：元器件种类n 通用失效率g（10-6/h）质量系数Q硅二极管0.970.1硅NPN三极管4.60.15金属膜电阻0.240.3陶瓷电容0.380.3石英晶体0.321解：首先求各种类元器件失效率，用公式：把表中数据分别代入上式，求出各类别总失效率。计算的数据元器件种类n使用数量（个）通用失效率g（10-6/h）质量系数Q
11、类别总失效率（10-6/h）硅二极管 2 0.97 0.1 0194硅NPN三极管 4 4.6 0.15 276金属膜电阻 5 0.24 0.3 036陶瓷电容 2 0.38 0.3 0228石英晶体 1 0.32 1 032然后求产品总的失效率。用公式：将求出的总的失效率、时间数值t=30*24h、t=365*24h分别代入：即可求出不同时间的产品可靠度。4.可靠性设计的方法1)正确性设计；2)元器件的老化与筛选；3)热设计；4)降压使用元器件；5)安全性设计；6)裕量和容差设计；7)性能稳定设计；8)电磁兼容设计；9)环境适应设计；10)抗干扰设计;11)电路与产品结构的设计。第五节 电子
12、产品的防干扰设计一.干扰的来源:1.空间干扰；2.电路内部干扰。二.硬件抗干扰设计:措施主要包括屏蔽、接地、滤波。三.软件抗干扰设计:数字滤波、采样、输出数据重复发送、输入输出避开系统干扰时段。第六节 电路设计的内容与方法电路设计一般包括三个环节：1)拟定性能指标；2)电路的预设计；3)试验和修改设计。衡量电路设计的标准：1）工作稳定可靠，能达到设计要求性能指标；2）电路简单、成本低；3）采用元器件品种少，体积小，货源要充足；4）便于生产、测试与维修。电路设计的基本方法有：1）借鉴设计法；2）近似设计法；3）分解、组合设计法；一.电路设计的基本内容 1.拟定电路设计的技术条件(即任务书)任务书
13、的内容包括：题目设计任务技术指标及产品要求例如:题目题目：位液晶显示数字温度计位液晶显示数字温度计设计任务：设计任务：采用温度传感器LM35，位A/D转换器、LCD液晶显示器设计一个日常温度数字温度计。产品指标及技术要求：产品指标及技术要求：温度显示范围：-4060；数字显示分辨率：0.1；精度误差0.5；电路工作电源可在59V范围内工作.2.电源的种类的选择 根据设计任务书及相关元器件工作的需要，确定产品电源的种类。3.确定负荷容量 负荷容量应包括：带载能力和电路自身的功耗。4.设计电路原理图、接线图、安装图、装配图；5.选择电子、电器元件，制定电机和电子元器件明细表；6.画出电动机、执行部
14、件、控制部件及检测元件总布局图；7.设计机壳、面板、印制电路板、接线板以及非标准电器和专用安装零件8.编写设计计算说明书和使用说明书。二.电路设计的基本方法 1.借鉴设计法 课题分析 目标功能分解 分成若干个模块和电路 查找类似的成熟电路 据要求对借鉴电路做适当的调整和修改 形成自己的设计 2.近似设计法 在电路设计的过程中，由于受多方因素的影响，往往采取“定性分析、定量估算、实验调整”的方法。因在电路设计初期只需进行粗略的计算，近似确定电路参数的取值范围，参数的具体确定借助实验调整。3.分解、组合设计法 在电路设计的过程中，经常将电子线路在功能级划分为各个子模块，各模块参照各种具体电路进行设
15、计，然后组合成系统进行统调。第七节 电路设计的步骤一.课题分析 根据技术指标的要求，弄清系统要求的功能，确定采用电路的基本形式，据此对课题的可行性作出评估和判断。确定课题的技术关键和拟解决的问题。二.设计方案的论证 主要从：技术的先进性、市场需求分析、成本价格核算、经济分析几方面进行论证。三.总体方案的设计 总体方案是根据设计任务书提出任务，要求和性能指标。用具有一定功能的若干单元电路组成一个整体，实现各项功能，满足设计题目提出的要求和技术指标。四.单元电路的设计 1）根据设计要求和总体方案的原理框图。确定对单元电路的设计要求，拟定单元电路的技术指标。2）拟定单元电路的技术要求，设计单元电路；
16、3）设计单元电路的形式；4）单元电路元器件选择。五.电子元件器的选用 1).电子元件器的选用原则;选择质量稳定、可靠性高、信誉好的生产厂家的产品；选择性能、质量等级、使用条件满足产品要求的产品；在满足性能要求的前提下，选择低功耗、低热阻、高增益的元器件；选择符合国标的、有稳定货源的元器件。2)明确电子元件器的选用参数;3)优先选用集成电路;4)分立元件依然不可代替;六.电路参数的计算 在电路设计过程中，常需要计算一些参数，作为选择电子元件器的依据。参数计算方法：1）参数计算的基本原则 电路分析计算采取“定性分析、定量估算、实验调整”原则。2）理论公式计算法；3）工程经验公式计算法；4）计算参数
17、注意问题。七.实验八.总电路图九.审图十.编写产品设计报告与使用说明书1.产品设计报告内容内容产品设计报告内容内容 标题 内容课题的任务与要求设计题目任务与要求设计项目（课题）设计报告名称、设计单位、设计承担者、设计日期系统概述提出几种设计方案；方案比较，对选取的方案进行可行性分析；列出系统框图，介绍设计思路、工作原理。单元电路设计与分析介绍单元电路的工作原理，技术指标；参数计算，元件选择，提出元件采购计划；如用EDA软件设计，应列出程序清单和仿真波形。安装调试与数据处理列出调试仪器仪表名称、型号、记录测量数据及波形；分析安装调试过程中的技术问题，找出原因，提出改进方案。结束语总结设计制作的结
18、论性意见、收集体会，对存在问题提出改进方案。致谢辞附录总电路图，元件表，参考文献。2.使用说明书内容其写法及内容:1)封面;2)目录;3)概述;4)主要技术指标;5)工作原理;6)使用方法;7)维护和修理;8)元件表;9)电路图.第八节 各类电子电路设计步骤简述任何电子产品，其主要部件都是由电子元器件和电路组成的，我们将这些能够产生、传输或处理电信号及信息的客观实体称之为电子系统。例如，通信系统、影视系统、计算机系统、电子测量系统、自动控制系统等等。在这些电子系统中，每个系统都是由若干个不同的子系统（电路）构成。人们根据其电路工作性质的不同，将其进一步划分为模拟子系统、数字子系统、数字模拟混合
19、电子系统、微处理器子系统和DSP（数字信号处理）子系统五种类型。总体上讲，电子产品是由上述5种类型的电路组成。但是并非所有产品都有5种，一些较为简单的产品，可能只包括其中的3种、2 种或1种。大多数电子产品是由模拟电路或模/数混合电路组合而成的。它们种类繁多、千差万别，所以设计的方法和步骤也不尽相同。1.模拟电子系统 模拟电子装置一般是由低频电子线路或高频电子线路组合而成的模拟电子系统，如音频放大器、模拟显示器等，虽然它们的性能、用途各不相同，但其电路各部分都是由单元电路组成，电路的结构也具有共同的特点。模拟电子电路的设计方法，从整个系统设计的角度来说，可按以下步骤进行：（1）明确设计任务要求
20、（完成系统功能的示意图）。（2）经过可行性的分析研究后，拿出系统的总体设计方案，画出总体设计结构框图。(3）在确定总体方案后，根据设计的技术要求，选择合适的功能单元电路。（4）确定所需要的具体器件的型号和参数。（5）将各部分单元电路组合起来，最终设计出完整的电路原理图。（6）在电原理图的基础上画出系统元器件布置图和印制电路板的布线图，并考虑其测试方案，设置相关的测试点。（7）在各部分的准备工作达到预期要求后，可以将单元器件和单元电路连接起来，构成整个电路系统，进行实验和修改，对该系统进行功能测试。2.数字电子系统 数字系统的规模差异很大，对于比较小的数字系统可采用一般的经典设计。即根据设计任务
21、要求，用真值表、状态表求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、逻辑电路图，最后用小规模电路实现。对于输入逻辑变量比较多、逻辑表达式比较复杂的系统，可以使用中、大规模集成电路，尽量采用大规模可编程逻辑器件完成。对于需要完成复杂的算术运算，进行多路数据采集、处理及控制的系统，可采用单片机系统实现。目前处理复杂的数字系统的最佳方案是大规模可编程逻辑器件加单片机，这样可大大节约设计成本，提高可靠性。数字系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、被控电路和电源等（见图）。被测或被控系统输入电路输出电路控制电路 电 源数字逻辑电路组成数字系统设计时一般按下列步骤进行：首先要做到的是明确系统的任务、技术性能、精度
22、指标、输入输出设备、应用环境以及有哪些特殊要求等。其次进行总体方案的确定，即考虑用什么电路来完成它。对复杂的大系统可以划分成不同层次的较小的子系统，一般先将系统划分为信息处理和控制电路两个部分，然后根据信息处理电路的功能要求将其分成若干个功能模块。接下来分析这些功能模块，选择出合适的元器件并设计出电路。在设计电路时，应充分考虑能否用ASIC（专用集成电路）器件实现某些逻辑功能的单元电路，这样可以大大简化逻辑设计，提高系统的可靠性和减小PCB的体积。最后在各功能模块的性能指标达到预期要求后，可把各个部分连接起来，构成整个电路系统，并可对该系统进行功能测试。3.微处理器子系统 由微处理器构成的各种
23、应用系统，已经深入到各个应用领域。典型的微处理器应用系统包括微处理器及其扩展电路、过程输入输出通道、人机会话和接口电路等。微处理器应用系统的设计，从总体上来看，设计任务可分为硬件设计和软件设计两个方面，两者互相结合，不可分离。随着技术的发展，各种功能强大的芯片不断出现，硬件电路的设计变得越来越简单，设计的重点转移到软件上来。软件设计比较复杂，程序编写的方法较多，设计时应进行优化处理，合理安排，以达到最佳效果。微处理器应用系统的设计步骤一般是：1）确定任务，完成总体设计确定系统功能指标，编写设计任务书。确定系统实现的硬件、软件子系统的划分，分别画出硬件与软件子系统的框图。2）硬件、软件设计与调试
24、按模块进行硬件设计，力求标准化、模块化，要有高的可靠性和抗干扰能力。按模块进行软件设计，力求结构化、模块化，要有高的可靠性和抗干扰能力。选择合适的单片机开发系统和测试仪器，进行硬件、软件的调试。软件设计的一般流程为：明确设计任务画出程序流程图编写程序汇编成目标程序仿真调试写入程序运行。3）整机总调，性能测定将调试好的硬件、软件装配到产品样机中去，进行整机总体联调，排除硬件、软件故障后，进行系统的性能指标测试。4.数字信号处理（DSP）子系统 数字信号处理就是将模拟信号转换成数字信号，再用数学的方法来处理此数字信号，得到相应的结果。我们现在所说的DSP实际上是指“数字信号处理器”，它是一种特别适
25、合于进行数字信号处理的微处理器。它强调运算处理的实时性，因此，除了具备普通微处理器所需的高速运算和控制功能外，主要针对实时数字信号处理，因而在处理器结构、指令系统和数据流程上做了较大的改动。下图 所示的是一个典型的DSP系统。A/DDSP芯片D/A 抗混叠滤波 平滑滤波输入输出本章小结本章系统:1.介绍了产品的概念，阐明了开发新产品的意义，对产品开发的程序和方式作了详细介绍。同时对电子产品的各种市场因素进行了分析，对电子产品开发的策略进行探讨。2.介绍了电子产品的特点和设计要求，对电子产品的设计方法和步骤作了详细说明。3.初步介绍了产品功能、产品可靠性等电子产品设计中的相关因素。4.对各种电子电路的设计步骤进行了综述，介绍了电路设计的基本内容和方法，对电路设计的各个步骤作了具体的说明。5.针对实际设计中的工程问题对电子产品的使用要求、生产要求、气候防护、抗干扰设计、可靠性设计等进行介绍。通过本章的学习，了解电子产品设计的基本要求，掌握电子产品设计的基本方法和步骤；熟悉电路设计的内容，掌握电路设计的基本方法和具体步骤，学会在设计中全面考虑问题，注意各方面的因素和影响，为从事电子产品设计工作作好充分准备。为学习后续课程打下坚实的基础。