可靠性技术在产品设计中的应用

可靠性技术在产品设计中的应用

王明辉
(中国电子科技集团电子第三十八研究所,合肥　230031)

摘要:对某型号雷达的终端系统的可靠性指标进行了分析,阐述了系统的可靠性设计方法,包括系统电路设计、模块化设计、电磁兼容设计、可兼性强化试验、元器件的控制和选择等,通过采取各种可靠性设计措施,使系统可靠性达到设计目标.

关键词:可靠性;电磁兼容;可维护性
中图分类号:U264. 6 文献标识码:A 文章编号:1006 – 0707 (2008) 04 – 0074 – 03

　随着科学技术的发展,以及宇航、军事工业及国际市场竞争的需要,对产品的可靠性和可维修性的要求日益提高. 因此有关可靠性方面的知识及系统可靠性分析已成为迫切需要解决的问题. 设计人员对产品进行可靠性分析、选择设计方案、提出外购件的可靠性指标、进行可靠性试
验都是必须的,而且应与产品的功能设计同步,这对提高产品的可靠性是十分有利的. 可靠性设计包括可靠性建模、分析、预测和分配,电路抗干扰设计,元器件选择与控制,可靠性强化试验,可维护性设计等. 可靠性的量化指标可以根据GJB/ Z299A“电子设备可靠性预计手册”中提供的方法,采用元器件计数法,对元器件的可靠性进行统计.

1 　可靠性模型的建立和分析
　　本雷达终端系统由接口插件、检测录取插件、计算机插件、通讯接口插件、光栅显示插件、背板、电源等组成,其中任意一个模块的失效均会导致整个系统不同程度的故障. 由于计算机设计成三机通讯的格式,因此系统可靠性模型为混合型,工程上按串联模型近似处理.

2 　可靠性设计
　　为提高可靠性,本系统在设计上主要采取的措施有:提高集成度,减少器件数;采用成熟、简单和可靠技术;时序设计采取抗干扰措施;在满足功能的前提下,逻辑电路尽可能简化;选用可靠的接插件和开关;对调试中出现的故障,分析原因,彻底根除设计存在的问题.

2. 1 　系统电路的简化设计
在达到基本性能指标的情况下,以最简单的短电路完成复杂的功能,采用超大规模集成电路提高集成度,达到简化电路的效果. 比如以往光栅显示采用图形控制和回波处理2 块插件才能完成显示功能,而由于大规模集成电路的使用和计算机的高速发展,现在开发的光栅显示插件不仅完成了以往的所有功能,还进行了功能扩展. 又如检测录取插件的通道复用功能,既提高了检测器的检测性能又降低了产品失效率的风险.

2. 2 　模块化设计
在军用雷达中所使用的原材料、成千上万的元器件都必须经过极为严格的环境试验与多种等级的老化筛选,导致设计成本上升5～10 倍,研制周期拉长8～10 年. 模块化设计提高了产品设计的成熟性,能使研发产品性能稳定,从而缩短研制周期;同时可以减少系统的备件数量,使系
统的使用、维护和修理更加方便、快捷,提高了产品的市场竞争力. 在本系统研制之前,就已最大限度地扩大了同一单元的使用范围,选定和研制了具有相同机械和电气接口并具有可互换性的通信接口插件、计算机、检测录取插件、光栅显示插件,以及专门开发的接口插件. 其中采用的7 块计算机模块硬件相同,可通过加载不同软件实现插件的互换;而该模块采用的嵌入式计算机本身就是一种成熟化、通用化商用技术的应用. 这种设计不仅对该型雷达高质量、高效率的研制和生产提供了保证,而且降低了成本,减少了印制板数量和种类,简化了测试、调试和维修程序.
2. 3 　冗余设计
由于用户要求现场维修时系统不停机,为了达到要求,在该系统的关键可靠性环节采用冗余设计技术. 光栅显示分机在整个雷达中处于十分重要的位置,在其中的光栅显示插件及操纵台的设计中采用主备用的冗余设计.
2. 4 　电磁兼容设计
该系统主要采用的是数字化、低功耗、高速、高灵敏度的电子设备,在遭受电磁干扰影响时,会引起整个系统的混乱和死机,所以电磁兼容设计是设计中的一个重要环节. 它主要包括电路设计、适当安排电子设备的空间位置、印制电路板排版设计以及采取防护措施等.
2. 4. 1 　电路设计
1) 对走线较长及驱动能力弱的信号线,采用上拉电阻接在信号接收端;对总线,采用上拉电阻接在最远的器件处.
2) 尽可能的选用低电压、小封装表贴的IC ,可有效降低元件失效率.
3) 由于本系统对外有很多数据通信接口,需避免雷击电流通过电子设备,并消除雷击时电压的影响,采用DC/DC 变换器进行电源隔离,用光藕对信号隔离并在隔离后的信号线上串接一自恢复保险丝和旁路并联一瞬态双向抑制二极管,防止单次尖峰干扰,有高电压信号串入时受到抑制,并且当有大电流信号进入并超过自恢复保险丝的额定功率时自动熔断.

4) 分机之间有许多高频信号进行传输,高频信号会随着线长的增加而衰减并伴有串扰,应采用带屏蔽的高频信号线作电缆,并且印制背板上应带有屏蔽插座.  
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2. 4. 2 　印制电路板排版设计
印制板电磁兼容设计主要任务就是要消除元件和部件级上发生的电磁干扰,而元器件之间的电磁耦合的强弱由元器件的分布电气参数决定,所以印制板的布线方法直接影响到电磁兼容性的好坏. 本系统主要采取了如下措施.
1) 按印制电路板设计规范设计.
2) 在印制板上入口处加装自恢复保险丝,并尽量靠近印制插座,印制线条要足够宽. 在本系统中计算机模块安装了嵌入式计算机,其电流功耗比较大,故电源在走线上应足够宽、足够短,以保证其电流通量的最大化.
3) 把数字电路和模拟电路分开安排在不同的布线层上,并严格将模拟和数字的地、电源分开,决不能混用,因为数字信号有很宽的频谱,是产生干扰的主要来源.
4) 采用多点接地方式,可使接地阻抗达到最小,有效的改善了信号的质量.
5) 印制电路板布线严格按照2 W的要求,保持一定的线间以减少信号之间的串扰.

2. 5 　可靠性强化试验(RET)
对系统实施强化试验,可快速剔除产品的潜在设计缺陷,使产品更快进入可靠性成熟期. 它是通过系统地对产品施加强度逐渐增大的一系列单独或综合的应力激发故障,暴露设计中的薄弱环节. 通过失效物理分析手段,提出纠正措施来改进产品的可靠性. RET施加的典型应力如下:
1) 温度循环.
　　高温贮存:0 ℃～ + 40 ℃(舱内)存储12 h ;25 ℃工作2 h.低温贮存: – 50 ℃～0 ℃存储12 h ;0 ℃工作2 h.
2) 随机振动.
连续扫频范围:5～70 Hz ,时间1 h.冲击试验:颠振加速度10 g ,冲击脉宽10 Ms ,按工作状
态固定,冲击500 次.在对本系统实施可靠性强化摸底试验中暴露了4 个问题,如表1 所示. 针对这些故障进行分析,前3 项都是由于系统采用的外购嵌入式计算机引起的. 因此与厂家一起分析产品的技术现状,找出了该款计算机潜在的设计缺陷,采取了相应的改进,促使系统尽早进入成熟期.

2. 6 　元器件的控制和选择
系统中使用的元器件的失效率都应是可从生产厂家获得的可靠性信息,在条件允许的情况下,对系统中的关键器件进行筛选,剔除早期失效器件. 为确保系统的可靠性,系统所使用的元器件均按照以下方法执行.
1) 选用的电阻、电容、半导体分立元件、集成电路等,严格按照所里颁布的“元器件优选手册”选用.
2) 优先选用符合国际、行业标准并保证有高可靠性的元器件.
3) 重要的关键件应选用“J”(军用) 级以上的产品.
4) 对新器件和专用电路以及对某些指标要专制的元器件,应经过试验和试用确认满足要求后,按规定办理申请手续经批准后使用.
5) 在选用数字集成电路时,按系统最高工作速度的要求选用相应的集成电路,尽量不要以高代低,因为高速系列可能存在动态功耗电流大的特点.
6) 禁止使用未经检验和已淘汰的器件.

3 　可维护性设计
　　在产品投入运行使用中,方便而又快捷经济的维修方法就显得尤为重要. 系统维修性设计所涉及的测试性是指系统机内检测设备的测试性. 测试系统必须作为系统设计的一个组成部分,在进行该系统的总体设计时,对产品的维护性采取下列措施:
1) 提高系统的可互换性.
2) 加强预防性维修和保证维修安全.
3) 所有可更换单元电路均有检查、测试孔和主要信号的测试位置.
4) 可在线检查各系统的主要工作状态和参数.
目前,军用雷达多采用机内测试设备(BITE) ,可对具有计算机接口的检查点信号进行在线数据采集、自动检查和判断.BITE 的建立使得故障隔离时间大为缩减,保证了基层级维修,它可发现故障并将其隔离到现场可更换单元(LRU) ,更换LRU 使雷达恢复到正常工作状态. 本系统的
BITE 网利用各分机自身的微机对自身的故障进行采集、相关和判断,送出故障代码去主控微机,主控微机利用BITE通讯网采集各分机相关后的故障,进行判断、隔离,最后显示故障信息并报警.BITE 需要依靠合理的故障诊断算法提高诊断速度和精确性. 目前,故障树分析法是一个比较成熟的诊断方法,它是在系统设计过程中,通过对可能造成系统故障的各种因素进行分析,进而采取相应的预防与纠正措施. 本系统包括综合分机、情报综合分机、显示控制分
机,它们通过BITE 网将故障代码送至主控计算机进行相关和显示,下面简单介绍综合分机的BITE　首先,信号接口插件通过FIFO 向航迹计算机发送导前中断和方位,在正常的情况下,由航迹计算机发出控制命令,从接口插件的口地址中读回反馈码,判断其是否出错,
送出故障代码到外设计算机. 而航迹计算机是通过FIFO 与外设计算机之间进行链路数据交换来判断故障.其次,在系统正常工作时,在盲区的范围内,不同的方位上,送出代表n 个波束的n 个AD 值,经检测录取插件处理后,点迹计算机从检测录取插件的FIFO 中读出录取的数
据,校验各检测通道是否正确,以送出故障代码到外设计算机. 同样,点迹计算机也是通过FIFO 与外设计算机之间进行链路数据交换来判断故障.最后,由外设计算机读取通信接口插件的85C30 芯片对应端口的测试数据来判断该插件是否正常,而外设计算机将分机内所有的故障代码通过BITE 网送到主控计算机进行显示.
4 　结束语
　　随着科学技术的发展,市场竞争越来越激烈,缩短产品的研制与生产周期,加快产品的成熟期是产品生产厂家迫切需要解决的问题. 只有从项目开始的第一天就强调可靠性,才能真正落实自上而下的可靠性方法. 尽快了解产品的核心单元和薄弱环节,采取有效的纠正与预防措施,使系统可靠性达到设计目标. 可靠性工作的新思路是以无维修使用期(MFOPO) 取代原先的平均故障间隔时间(MTBF) ,从故障修理转移到计划预防维修,这就需要研发设计人员必须清楚产品将会怎样发生故障,必须改变过去把有限的人力、物力平均用在产品开发、研制、生产和使用全过程的可靠性监控上,而应集中于产品研发的早期阶段,以降低研制费用,加快研制进程,不使自己处于劣势而被淘汰,因此产品的高可靠性也是现代企业得以生存的重要保证.
参考文献:
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[2 ] 　王锡吉,王蓬. 可靠性工作新理念[J ] . 电子产品可靠性与环境试验,2003 (2) :1 – 7.
[3 ] 　诸帮田. 电子电路使用抗干扰技术[M] . 北京:人民邮电出版社,2001.
[4 ] 　范志锋,齐杏林. 引信可靠性试验的现状与对策[J ] .四川兵工学报,2008 ,29 (1) : 36 – 38.

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