可靠性设计:你有工具

文章：Martin Rowe

2018年，我不得不这么做更换部分故障部件25岁的HP34401A DMM。两个电容坏了，二极管也坏了。这已经是一年内第三次更换故障的电容了，其他的还包括一台电脑显示器和一台DVD录像机。设计这些产品的工程师做了一件值得信赖的工作，因为每一件产品在出现故障(DMM为25)之前都能持续很多年。幸运的是，所有这些都很容易修复——故障没有引起任何重大的中断。

34401A已安装在用于生产的自动化测试站中，情况可能不同，但仅当仪表被用于交流测量时。如果没有使用仪表的交流功能，那么失败可能会被忽视，除非有人可以闻到烧焦的组件（图1)．

许多工程团队尽快开始寻找可能的故障。中大型组织通常具有可靠性工程师现场审查设计文件，材料账单，测试程序和制造过程寻找可能导致失败的弱点。小公司或初创公司可能会使用顾问。可靠性工程师寻找和分析可能的故障条件（模式）以确定每个故障的严重程度和发生概率。“始于可靠性人们，”Ken Rispoli表示，最近作为雷神综合防御系统的SR.主要工程师退役。“他们可以指出设计师可能忽视的问题。”

定义失败

“在制定可靠性计划时，你必须做的第一件事是确定故障，这可能需要一到两次会议，”可靠性顾问Kevin Granlund说。“达成共识并记录下来。”HP 34401A电容故障强调了这一点:在某些情况下的故障可能在其他情况下不是故障。这取决于用例。对于某些故障，暂时中断是可以容忍的，但对于其他故障则不然。这取决于用户的忍耐力。

失败分析造成风险。无法接受的失败风险取决于产品的预期用例和失败的后果。如果生活或大笔金额有股份，那么您需要尽最大程度地降低风险。风险还取决于产品的预期寿命。正如Rispoli所指出的那样，“您是否需要设计一个消费产品，在其预期的一生为两年时工作20年？”是的，在34401A和类似产品的情况下，其中许多已经使用了20年，更长。

工程师有一些工具和实践可用来进行可靠性规划和分析。

• 应力分析
• 平均失败（MBTF）/平均故障时间（MTTF）
• 失效模式和影响分析(FMEA)/失效模式、影响和临界性分析(FMECA)
• 最坏情况分析

AEi Systems的董事总经理Charles Hymowitz认为，压力分析是最重要的工作，但它并不能涵盖所有方面。当设计可靠性电路时，许多工程师从这里开始，因为你可以通过模拟进行应力分析。

我们知道温度如何影响组件和系统寿命。因此，在许多方面，应力分析是热分析。热问题来自电路产生的太多热量，冷却不足。首先计算每个组件中的电压和电流，然后计算耗散功率。图2显示IC的典型热仿真。

根据Hymowitz的说法，由于散热引起的温度升高将对无源元件和离散半导体具有比IC的离散半导体更不利影响。温度上升不仅可以影响组件的故障时间，而且可以改变组件的值，这可能导致板或系统在其预期参数之外运行。

在电路设计中，应力分析之后是MBTF/MTTF分析。许多无源和有源元件制造商分别发布这些数据晶圆厂和包装．MBTF主要基于历史数据。据Hymowitz表示，虽然MBTF是在许多设计上进行的常见分析（需要它，但对于FMEA / FME万博投注网址CA而言），它可能会出现错误。

典型的MBTF / MTTF分析按最短的故障排列排名零件。此时，失败风险，失败后果和成本的薪酬是一个权衡。扩展MBTF / MTTF通常意味着支付更高级别的部件。如果您正在设计一个卫星或其他系统，那么您可能会选择具有最长MBTF的零件。例如，MP3播放器，成本可能优先于一点。如果您的产品是一个系统，例如无法在整体和停机时间替换的网络或制造系统，则是一个问题，那么也需要时间来修复（MTTR）。

在我最近的修理中，故障点总是一个电容器。电容制造商通过提供计算器来帮助您分析MBTF，例如这一个．该计算器绘制电容的预期寿命在电源基于温度，直流电压和纹波(交流)电压。

[继续阅读EDN美国:得到关键]

马丁罗是一个高级技术编辑，涵盖EDN和EE时间的测试和测量。