硬件可靠性设计要考虑哪些?

2021年1月11日

一般来说,系统总是由多个子系统组成,而子系统又是由更小的子系统组成,直到细分到电阻器、电容器、电感、晶体管、集成电路、机械零件等小元件的复杂组合,其中任何一个元件发生故障都会成为系统出现故障的原因。因此,国际电子展小编认为,硬件可靠性设计在保证元器件可靠性的基础上,既要考虑单一控制单元的可靠性设计,更要考虑整个控制系统的可靠性设计。

 

1.影响硬件可靠性的因素

 

(1)元件失效。元件失效有三种:一是元件本身的缺陷,如硅裂、漏气等;二是加工过程、环境条件的变化加速了元件、组件的失效;三是工艺问题,如焊接不牢、筛选不严等。

 

(2)设计不当。在计算机控制系统中,许多元器件发生的故障并不是元件本身的问题,而是系统设计不合理或元器件使用不当所造成。

 

在设计过程中,如何正确使用各种型号的元器件或集成电路,是提高硬件可靠性不可忽视的重要因素。

 

(1)电气性能:元器件的电气性能是指元器件所能承受的电压、电流、电容、功率等的能力,在使用时要注意元器件的电气性能,不能超限使用。

 

(2)环境条件:计算机控制系统的工作环境有时相当恶劣,由于环境因素的影响,不少系统的实验室试验情况虽然良好,但安装到现场并长期运行就频出故障。其原因是多方面的,包括温度、干扰、电源、现场空气等对硬件的影响。因此,设计系统时,应考虑环境条件对硬件参数的影响,元件设备须经老化试验处理。

 

(3)组装工艺:在硬件设计中,组装工艺直接影响硬件系统的可靠性。由于工艺原因引起的故障很难定位排除,一个焊点的虚焊或似接非接很可能导致整个系统在工作过程中不时地出现工作不正常现象。另外,设计印制电路板时应考虑元器件的布局、引线的走向、引线的分类排序等

 

2、提高硬件可靠性的一般方法

 

在计算机控制系统的整体设计中,如何提高系统硬件的可靠性是整个系统设计的关键,系统硬件设计时常需采用必要的可靠性措施:

 

(1)电路设计

 

据国际电子展小编的统计,影响计算机控制系统可靠性的因素约45%来自系统设计。为了保证系统的可靠性,在对其电路设计时应考虑各个方面的情况。

 

各种电子元器件的特性不可能是一个恒定值,总是在其额定(典型)参数的某个范围内;同时,电源、电压也有一个波动范围。比较坏的设计方法是考虑所有元件的公差,并取其不利的数值核算电路每一个规定的特性。如果这一组参数值能保证电路正常工作,那么在公差范围内的其他所有元件值都能使电路可靠地工作。

 

在设计应用系统电路时,还要根据元器件的失效特征及其使用场所采取相应的措施,对容易产生短路的部件以串联方式复制,对容易产生开路的部分以并联方式复制。

 

(2)元器件选择

 

在确定元器件参数之后,还要确定元器件的型号,这主要取决于电路所允许的公差范围。由于制造工艺所限,有些元器件参数的公差范围可能较大,如电容器电容量等。另外,元件或器件的额定工作条件包括多个方面(如电流、电压、频率、机械参数以及环境温度等),设计时要考虑参数裕量,并在运行时尽量保证接近元器件的设计工作温度。

 

(3)结构设计

 

结构可靠性设计是硬件可靠性设计的后面的阶段。结构设计时,要先应注意元器件及部件的安装方式,其次是控制系统工作环境的条件(如通风、除湿、防尘等)。

 

(4)噪声抑制

 

噪声对模拟电路的影响会直接影响系统精度,噪声对数字电路也会造成误动作。因此,在工程设计中必须采用噪声抑制和屏蔽措施。对于模拟应用系统,可在电源端增加一些低通滤波电路来抑制由电源引入的干扰;对于数字系统,通常采用滤波器和接地系统;同时,在整体结构布局时应注意元器件的位置和信号线的走向。对于电磁干扰、电场干扰可采用电磁屏蔽、静电屏蔽来隔离噪声,也可采用接地、去耦电容等措施来减少噪声的影响。

 

(5)冗余设计

 

硬件冗余设计可以在元件级、子系统级或系统级上进行,必然增加硬件和成本。因此,设计时应仔细权衡采用硬件冗余的利弊关系。在计算机控制系统中,主要采用控制单元冗余和控制系统冗余来提高系统硬件可靠性。

 

 

来源:来源:可靠性技术交流