電子通信產(chǎn)品的硬件可靠性設(shè)計

1、電子通信產(chǎn)品的硬件可靠性設(shè)計 產(chǎn)品可靠性設(shè)計涉及到很多方面，要全面開展起來有一定困難。但是，如果在設(shè)計階段不采取必要的措施，開發(fā)出的產(chǎn)品可靠性合格的概率是很低的，這就是所謂的“預(yù)則立，不預(yù)則廢”，決不是危言聳聽。所以，產(chǎn)品的項目負(fù)責(zé)人及所有研發(fā)人員從工作的一開始就應(yīng)該強化可靠性意識，從力所能及的幾個方面貫徹可靠性設(shè)計的思想和方法，盡可能提高產(chǎn)品的可靠性。本文詳細描寫了電子通信產(chǎn)品的硬件可靠性設(shè)計的要點和方法，生動地闡述設(shè)計評審的意義，希望能給項目負(fù)責(zé)人及廣大硬件研發(fā)人員有所幫助。 1、 可靠性需求分析和指標(biāo)體系的建立 產(chǎn)品的可靠性需求分析，分定量和定性兩個方面。單板及系統(tǒng)的平均故障間 隔時間M

2、TBF（或平均致命故障間隔時間MTBCF）、可用度、環(huán)境條件、溫升控制、電磁兼容指標(biāo)等可以定量地給予明確規(guī)定。保障性、維修性、可生產(chǎn)性、不允許發(fā)生事件等方面要定量規(guī)定有些困難，但是也應(yīng)該做一些定性的規(guī)劃。在研制規(guī)范中有一個章節(jié)叫“不允許發(fā)生的事件”，我在審核文件中發(fā)現(xiàn)，這部分的規(guī)定都很馬虎，往往只對顯而易見的一些事件進行了非常輕描淡寫的“不允許發(fā)生”的規(guī)劃，并沒有對各種潛在的約束條件可能導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生的故障進行約束，所以，我們經(jīng)常發(fā)生這樣的情況：測試規(guī)程、測試用例的設(shè)計不能覆蓋產(chǎn)品的方方面面，待產(chǎn)品量產(chǎn)或投入市場運行后故障百出卻悔恨當(dāng)初規(guī)劃或測試不到位。 需要說明的是，MTBF或MTBCF的指標(biāo)

3、及其分配要盡可能合理一些，要想一想，我們確定的指標(biāo)是否可以實現(xiàn)，是否有市場競爭優(yōu)勢。王錫吉教授的一種新的可靠性指標(biāo)預(yù)計方法與應(yīng)用介紹了適用于整機系統(tǒng)可靠性指標(biāo)預(yù)計的方法RZTEA和硬件單板的可靠性指標(biāo)預(yù)計方法RZTEB，十分適用于我們產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)預(yù)計。何國偉教授的RMST的系統(tǒng)分析給我們由單板可靠性指標(biāo)推算系統(tǒng)的可靠性、可用度指標(biāo)的方法，建議大家認(rèn)真閱讀、學(xué)習(xí)上述文章，以便在產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的確定、分配、預(yù)計工作中得到幫助。 2、 降額設(shè)計 所謂降額，就是要使元器件在設(shè)備中實際使用時可能承受的應(yīng)力小于其額定 應(yīng)力。不同的元器件所要考慮的應(yīng)力因素是不一樣的，有的是電壓，有的是電流，有的是溫度，

4、有的是頻率，有的是振動，等等。對電容的耐壓及頻率特性，電阻的功率，電感的電流及頻率特性，二極管、三極管、可控硅、運放、驅(qū)動器、門電路等器件的結(jié)電流、結(jié)溫或扇出系數(shù)，電源的開關(guān)和主供電源線纜的耐電壓/電流和耐溫性能，信號線纜的頻率特性 ，還有散熱器、接插件、模塊電源等器件的使用要求進行降額設(shè)計。 通常，根據(jù)降額幅度的大小可分為一、二、三級降額，一級降額（(實際承受應(yīng)力:(器件額定應(yīng)力 < 50%的降額）在技術(shù)設(shè)計上最容易實現(xiàn)，降額的效果也最好，但存在成本過高的問題；二級降額（70%左右的降額）在技術(shù)設(shè)計上也比較容易實現(xiàn)，降額的效果也很好，并且成本適中；三級降額在技術(shù)實現(xiàn)上要仔細推敲，必要時

5、要通過系統(tǒng)設(shè)計采取一些補償措施，才能保證降額效果的實現(xiàn)，所以說有一定難度，但三級降額的成本最低。一般說來，我們建議使用二級降額設(shè)計方法，在保證降額設(shè)計取得良好的效果的同時，技術(shù)實現(xiàn)難度和成本都適中。對于涉及到頻率特性的器件的降額要謹(jǐn)慎處理。 3、 熱設(shè)計 確定產(chǎn)品的運行環(huán)境溫度指標(biāo)，確定設(shè)備內(nèi)部及關(guān)鍵元器件的溫升限值。一般說來，元器件工作時的溫度上升與環(huán)境溫度沒有關(guān)系，而民用級別的元器件的允許工作溫度大多在7085，為了保證在極限最高環(huán)境溫度（50左右）下元器件的工作溫度還在其允許溫度范圍內(nèi)并有相當(dāng)?shù)娜哂喽龋O(shè)備內(nèi)部及元器件的溫升設(shè)計指標(biāo)定在15左右比較合適。在硬件單板設(shè)計時，首先應(yīng)該明確區(qū)分

6、易發(fā)熱器件和溫度敏感器件（即隨著溫度的變化器件容易發(fā)生特性漂移、變形、流液、老化等），布PCB板時要對易發(fā)熱器件采取散熱措施，溫度敏感器件要與易發(fā)熱器件和散熱器隔開合適的距離，必要時要從系統(tǒng)的角度考慮采取補償措施。系統(tǒng)或子系統(tǒng)通過自然散熱（通風(fēng)、對流等）措施不能保證設(shè)備內(nèi)部及關(guān)鍵元器件溫升限值指標(biāo)得到保證時，需要采取強迫制冷措施。注意，對整機系統(tǒng)，強迫制冷措施要盡可能在高發(fā)熱部位附近實施，要盡量避免使用把熱空氣送到本來發(fā)熱不大的部位的散熱路線。 散熱設(shè)計究竟怎樣才算合適？我們可以通過一些仿真工具進行初步的設(shè)計（美國Ansys公司的熱分析和仿真軟件和FLOTHERM軟件得到了普遍的使用），拿出一

7、個方案，然后，通過“設(shè)計仿真修改設(shè)計一再仿真測試驗證設(shè)計修正再測試”的工程方法來實現(xiàn)。不同的設(shè)備，其運行的環(huán)境溫度極限值指標(biāo)是不盡相同的。對于大多數(shù)用于電信中心的通信設(shè)備來說，可以參照交換機的總技術(shù)規(guī)范書。為了充分保證產(chǎn)品整機系統(tǒng)的可靠性，一般說來，要求系統(tǒng)在規(guī)定的運行高溫條件下至少連續(xù)72小時運行功能正常實現(xiàn)且性能指標(biāo)沒有任何程度的下降，在規(guī)定的運行低溫條件下至少連續(xù)72小時運行不會引起功能的喪失和性能指標(biāo)的下降。 這里需要提醒的一點是，整機散熱設(shè)計，往往要開辟一些通 風(fēng)孔、通風(fēng)槽，要使用一些易散熱材料，與電磁屏蔽設(shè)計會存在一些矛盾，而一般說來，電磁屏蔽的設(shè)計難度要大于散熱設(shè)計，所以，在進行

8、整機散熱設(shè)計時一定要處理好與電磁兼容設(shè)計之間的關(guān)系。也就是說，什么位置開通風(fēng)孔/通風(fēng)槽、如何確定孔的面積/數(shù)量、槽的材料，如何處理縫隙等都需要仔細推敲。好在電信中心使用的通信設(shè)備在電磁兼容方面的要求只等同于通用標(biāo)準(zhǔn)CISPR22中規(guī)定的CLASS A的要求，加之現(xiàn)在的大多數(shù)PCB板都采用多層布線方式，在PCB一級電磁輻射水平大大降低而抗輻射能力又大大提高，從而使整機的電磁屏蔽設(shè)計的難度也大大降低，所以說，我們要處理好散熱設(shè)計和電磁兼容設(shè)計的關(guān)系不是很困難的。 4、 電氣兼容性設(shè)計（或信號完整性設(shè)計） 電氣兼容性是指設(shè)備內(nèi)部組件之間以及設(shè)備與設(shè)備之間有相互連接關(guān)系的信 號的電氣特性，如信號的電平

9、閾值誤差、信號脈沖的寬度、信號脈沖的上升沿和下降沿的陡度及過沖與下沖、信號的延時和抖動、模擬信號的失真度、光收發(fā)器件的發(fā)送功率和接受靈敏度及誤碼率、無線發(fā)射信號的功率及無線接收設(shè)備的接收靈敏度等，在一定的誤差范圍內(nèi)能夠“互相容忍”，保證功能的正常實現(xiàn)。建議對以下幾方面給予關(guān)注： l 各功能單板對電源的電壓波動范圍、紋波、噪聲、負(fù)載調(diào)整率等方面的要求予以明確，二次電源經(jīng)傳輸?shù)竭_功能單板時要滿足上述要求。 l 選用專用器件時要檢查其電氣性能指標(biāo)是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。 l 對高速、高頻電路，信號之間的串?dāng)_問題。 l 在研發(fā)階段的調(diào)試、電源拉偏試驗、高低溫試驗中，要注意檢查信號經(jīng)傳輸后到達“對方”該

10、信號的接收端時是否符合“對方”設(shè)備對輸入信號的各方面電氣指標(biāo)要求，即信號經(jīng)過傳輸后電氣性能發(fā)生的變化是否在“對方”設(shè)備接受信號的容差范圍內(nèi)，以排除影響電氣性能長期穩(wěn)定性的不良因素。 l 有條件時進行時鐘拉偏、抖動注入等試驗，驗證設(shè)備的容差能力。 上述幾點很重要。我們經(jīng)常在調(diào)試或可靠性試驗中忽略這些，往往是在調(diào)試 和試驗的過程中只觀察功能而不去檢查信號的質(zhì)量，對信號已經(jīng)發(fā)生偏差甚至到了“邊緣”狀態(tài)并不清楚，所以就不可能去采取糾偏措施，等設(shè)備投入量產(chǎn)、運行后，經(jīng)常碰到原因不明不白的故障，只能通過反復(fù)換板的辦法來解決，而換板以后時間一長就舊病復(fù)發(fā)。 5、 電磁兼容設(shè)計 對電工、電子產(chǎn)品來說，電磁兼容

11、包括整機系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的兼容和設(shè) 備內(nèi)部部件與部件、分系統(tǒng)與分系統(tǒng)之間的兼容。電磁兼容的 問題要在開發(fā)工作的前期就給予高度重視，這是因為：1、電磁兼容問題首先是質(zhì)量問題。國外早就發(fā)現(xiàn)，進入數(shù)字化時代之后，很多電子設(shè)備經(jīng)常發(fā)生讓人摸不著頭腦的質(zhì)量問題就是因為數(shù)字化電子設(shè)備更容易受各種電磁騷擾（尤其是靜電放電、電脈沖群、雷電感應(yīng)等各種脈沖騷擾）的影響而造成的；我們公司可靠性部在近兩年解決一些老大難問題之后也證實，我們設(shè)備的故障率及單板返修率居高不下的主要原因之一就是我們的產(chǎn)品EMC設(shè)計不充分。2、電工電子產(chǎn)品、信息技術(shù)設(shè)備的電磁兼容（及電安全性）都有具體的標(biāo)準(zhǔn)或通用標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)市場（尤其軍用設(shè)

12、備）已經(jīng)對這一問題越來越重視，信息產(chǎn)業(yè)部早在九七年就計劃對電信產(chǎn)品（包括已經(jīng)在網(wǎng)上運行的設(shè)備）實施電磁兼容強檢強測制度，只是由于測試條件一直不成熟而未能執(zhí)行?，F(xiàn)在信息產(chǎn)業(yè)部通信計量中心的電磁兼容測試中心已經(jīng)建成并投入使用，國標(biāo)電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電磁兼容性要求也已經(jīng)由通信計量中心、中興、華為三家起草完成，今年底將上報有關(guān)部門審批，隨后就會執(zhí)行上述制度。在國際貿(mào)易中，電磁兼容幾乎已成為發(fā)達國家對其他技術(shù)相對落后的國家設(shè)立的技術(shù)壁壘。隨著歐盟的89/336 EEC指令于1996年1月1日生效（注：該指令在今年春天進行了修改），美、日、澳等國家和地區(qū)的政府都頒布了相應(yīng)的指令，嚴(yán)禁電磁兼容性不符合它們的標(biāo)準(zhǔn)

13、的產(chǎn)品進入這些國家和地區(qū)的市場或在其范圍內(nèi)生產(chǎn)，所以說，電磁兼容性（及安全性）合格標(biāo)志是出口產(chǎn)品的“護照”。我公司在電信設(shè)備出口方面已經(jīng)走在同行的前面，公司的目標(biāo)是在幾年內(nèi)國際業(yè)務(wù)達到50%的分額，所以，我們的電磁兼容工作更加要抓緊開展，決不能因這方面的工作不到位而影響國際市場的開拓。3、電磁兼容的問題如果在產(chǎn)品研發(fā)的早期階段不充分考慮、不精心設(shè)計，一旦產(chǎn)品成型后，其達標(biāo)的概率非常小，而且解決問題所面臨的困難、需要花費的人力和代價將會非常大。上述幾點必須首先得到中高層領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)識和理解，否則電磁兼容工作幾乎推動不下去。 電磁兼容設(shè)計涉及到電路板、結(jié)構(gòu)、電纜、設(shè)備的供電系統(tǒng)和接地體系等各個方面，非

14、常復(fù)雜，乍看起來似乎摸不著邊際，其實，通過合理的工作方法和在設(shè)計中遵循電磁兼容設(shè)計的一些基本準(zhǔn)則，還是可以受到事半功倍的效果的。 下面具體談?wù)劗a(chǎn)品電磁兼容設(shè)計的工作內(nèi)容。 l 在產(chǎn)品（包括單板）的規(guī)格說明中明確規(guī)定所設(shè)計的產(chǎn)品必須達到的電磁兼容要求，在產(chǎn)品（包括單板）的調(diào)試方案、測試方案中擬定電磁兼容的測試項目。 8; 避免使用靜電敏感器件，選用器件的靜電敏感度一般不低于2000V，否則要仔細推敲、設(shè)計抗靜電的方法；在結(jié)構(gòu)方面，要實現(xiàn)良好的地氣連接及采取必要的絕緣或屏蔽措施，提高整機的抗靜電能力。 l CMOS電路要采取抗閂鎖設(shè)計。 l CMOS器件中閑置不用的管腳避免懸空，要視器件的特征把閑

15、置不用的管腳接到電源端或地端。 l 各功能單板電源引進處要采用合適的濾波電路，盡可能同時濾除差模噪聲和共模噪聲，噪聲泄放地與工作地特別是信號地要分開，可考慮使用保護地；集成電路的電源輸入端要布置去耦電容，以提高抗干擾能力。 l 散熱器要與單板內(nèi)電源地或屏蔽地或保護地連接（優(yōu)先連接屏蔽地或保護地），以降低輻射干擾。 l 一般說來各級電源的輸入、輸出端都要使用合適的濾波電路。 l 機架、機框是否需要做屏蔽設(shè)計？如果做屏蔽設(shè)計，要分析電磁場的特性，確定使用什么屏蔽材料，確定開孔的大小及數(shù)量，確定搭接方式及搭接材料。 l 明確各單板最高工作頻率，對工作頻率在160MHz（或200 MHz）以上的器件或

16、部件采取必要的屏蔽措施，以降低其輻射干擾水平和提高抗輻射干擾的能力。 l 使用屏蔽電纜的地方要把電纜的屏蔽層真正利用起來（與地或屏蔽殼體可靠連接），并通過實驗確定正確的、行之有效的連接方式。 l 對復(fù)雜且工作頻率很高或高頻噪聲分量較大的系統(tǒng)，或者對內(nèi)部兼容性要求高的系統(tǒng)，層、框之間采用金屬絲網(wǎng)或金屬箱體進行屏蔽。 l 一般功能單板的電磁干擾發(fā)射和傳導(dǎo)干擾發(fā)射嚴(yán)格達到A類ITE產(chǎn)品的要求，工控機、二次電源等盡可能達到B類ITE產(chǎn)品的要求。 l 整機結(jié)構(gòu)上要在合適位置設(shè)計布置靜電泄放插口并予以警示。 l 整機保護地連接處不涂絕緣漆，要保證與保護地電纜可靠的金屬接觸，避免僅僅依靠螺絲螺紋做接地連接的

17、錯誤方式。 l PCB板布置要遵循有關(guān)準(zhǔn)則。 6、 抗振動設(shè)計 l 在電路單板上對體積較大、重量大于14克的立式布置器件采取加固措施。 l 對尺寸較大的單板和因板上元器件高度原因而需要占用兩個以上槽位，并且板重量較大的單板采用縱、橫硬質(zhì)金屬條進行加固（也可采取其它合適的方式），以防翹變。 l 單板插進機框后要有鎖定措施。 l 整機的門、抽屜要有鎖定措施，要保證在任何傾斜度時不會自開（雖然這不是設(shè)備運行狀態(tài)的要求，但我們的產(chǎn)品現(xiàn)在整機運輸，必須達到這個要求）。 l 所有采用螺釘連接的地方要使用彈墊或花墊，以 對振動和沖擊進行緩沖。 l 接插件連接處必要時采取固定措施（使用帶鎖扣的接插件）以防接觸

18、不良或松動。 7、 生產(chǎn)性、測試性和維修性設(shè)計 可生產(chǎn)性必須得到開發(fā)人員的高度重視，我們是搞產(chǎn)品，不是做實驗，對于 那些不考慮可生產(chǎn)性或可生產(chǎn)性很差的開發(fā)應(yīng)當(dāng)適時糾正，必要時對相關(guān)責(zé)任人教育、培訓(xùn)。 l 一般說來，生產(chǎn)性至少有如下幾點需要考慮： a、該產(chǎn)品所用到的（關(guān)鍵）元器件在批量生產(chǎn)時能否保證采購到，能否找到替代品而不致于讓供應(yīng)商卡勃子。所以，我們要認(rèn)真制定“核心器件選用大綱”并經(jīng)過三結(jié)合的嚴(yán)格審查。 b、公司的生產(chǎn)手段、工藝水平、工人的技術(shù)水平、測試設(shè)備等方面的現(xiàn)時狀況或經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、改進、培訓(xùn)、外協(xié)能否滿足該產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。 c、對于實現(xiàn)功能或性能指標(biāo)使用到的硬件調(diào)節(jié)部分要盡可能避免靈敏度過高的設(shè)計，并在調(diào)試工藝文件中對調(diào)試方法和調(diào)試后達到的狀態(tài)予以明確。 l 任何組裝級別的硬件都要采取測試性設(shè)計和維修性設(shè)計。 l