电子产品可靠性FMECA课件.ppt

1、电子电路可靠性设计 王淑娟 2007.6.271 可靠性基本概念可靠性基本概念2 可靠性设计技术可靠性设计技术3 电子电路可靠性容差设计电子电路可靠性容差设计4 电子电子电路可靠性仿真软件电路可靠性仿真软件5 混合式直流接触器控制电路容差混合式直流接触器控制电路容差 设计设计主要内容主要内容 产品的可靠性是指产品的可靠性是指产品产品在规定在规定的条件下和规的条件下和规定的定的时间内，完成规定功能的能力时间内，完成规定功能的能力。1 可靠性基本概念可靠性基本概念 可靠性可靠性工程是为了达到产品可靠性要求而进工程是为了达到产品可靠性要求而进行的有关设计、试验和生产等一系列工作的总行的有关设计、试验

2、和生产等一系列工作的总和。和。多年来世界各国开展多年来世界各国开展可靠性工作的经验证明：可靠性工作的经验证明：产品不可靠的原因中，设计占产品不可靠的原因中，设计占80%。可靠性工可靠性工程的重点在设计阶段。程的重点在设计阶段。2 可靠性设计技术可靠性设计技术 7.容差设计是指在电子容差设计是指在电子电路的参数中心值电路的参数中心值一定的条件下一定的条件下，设计分配各参数的容差范围，设计分配各参数的容差范围，使系统的输出响应偏差最小的设计技术使系统的输出响应偏差最小的设计技术。任何电子电路在生产和使用过程中都不可任何电子电路在生产和使用过程中都不可避免地会受到各种随机扰动因素的影响避免地会受到各

3、种随机扰动因素的影响,使实使实际电路的元器件参数与其标称值之间总是存在际电路的元器件参数与其标称值之间总是存在着偏差，这就是容差。着偏差，这就是容差。3 3 电子电路可靠性容差设计电子电路可靠性容差设计 容差的来源主要有外部因素，内部因素和容差的来源主要有外部因素，内部因素和生产工艺的分散性三种。外部因素主要包括：生产工艺的分散性三种。外部因素主要包括：环境温度、大气压强、外部震动、环境温度、大气压强、外部震动、电应力、静电应力、静电、电浪涌损伤、腐蚀电、电浪涌损伤、腐蚀等；内部因素主要包括：等；内部因素主要包括：本身的本身的材料缺陷、体内的劣化机理、蠕变材料缺陷、体内的劣化机理、蠕变3.1

4、容差设计的基本原理容差设计的基本原理等；生产工艺的分散性：由于制造工艺的原因，等；生产工艺的分散性：由于制造工艺的原因，元器件参数的元器件参数的实际中心值通常存在着公差，而实际中心值通常存在着公差，而这种公差在一批元器件中是呈分布特性的。这种公差在一批元器件中是呈分布特性的。电子电子电路的容差设计电路的容差设计，是指在组成电子电是指在组成电子电路的各设计变量参数中心值一定的条件下，设路的各设计变量参数中心值一定的条件下，设计分配各参数的容差范围，使电子电路的输出计分配各参数的容差范围，使电子电路的输出响应偏差最小的设计技术。响应偏差最小的设计技术。在具体分析设计过程中，在具体分析设计过程中，电

5、子电子电路容差设电路容差设计包括容差分析和容差分配两个方面计包括容差分析和容差分配两个方面。容差分配，是指将技术指标中规定的或通过容差分配，是指将技术指标中规定的或通过计算得到的输出特性的允许容差分配到各相关设计算得到的输出特性的允许容差分配到各相关设计变量中，计变量中，为各变量的设计提供依据。为各变量的设计提供依据。容差分析，是指分析各设计变量的偏差对输容差分析，是指分析各设计变量的偏差对输出特性的影响，以此对容差分配方案进行检验出特性的影响，以此对容差分配方案进行检验。容差设计的过程，实际上就是一个容差分析容差设计的过程，实际上就是一个容差分析与容差分配反复配合递推的过程，最终实现各参与容

6、差分配反复配合递推的过程，最终实现各参数容差的最优配合。数容差的最优配合。R1改变时，输出改变时，输出Uo发生变化。在实际产发生变化。在实际产品中，输出变量的值是允许在一定范围内波品中，输出变量的值是允许在一定范围内波动的，比如动的，比如Uo（45-55V）；而元器件的价）；而元器件的价格是与精度成正比的。容差设计就是要合理格是与精度成正比的。容差设计就是要合理设计相关元器件的容差，使输出变量的波动设计相关元器件的容差，使输出变量的波动在允许范围内，并且成本最低或满足其他条在允许范围内，并且成本最低或满足其他条件。件。io2122UURRR3.2 容差分析方法容差分析方法 蒙特蒙特-卡罗分析是

7、当电路组成部分的参数卡罗分析是当电路组成部分的参数服从某种分布时，由电路组成部分参数抽样值服从某种分布时，由电路组成部分参数抽样值来分析电路性能参数偏差的一种统计分析方法。来分析电路性能参数偏差的一种统计分析方法。其基本思想是当所求解的问题为某个时间出现其基本思想是当所求解的问题为某个时间出现的概率时，可以通过抽样试验的方法得到这种的概率时，可以通过抽样试验的方法得到这种事件出现的概率，把它作为问题的解。这种方事件出现的概率，把它作为问题的解。这种方法的分析结果与实际情况最为接近。法的分析结果与实际情况最为接近。容差分析的方法通常包括蒙特容差分析的方法通常包括蒙特-卡罗分析卡罗分析法、区间分析

8、法、法、区间分析法、仿射分析法和最坏情况分仿射分析法和最坏情况分析法析法等等。1000个元器件个元器件随机选取随机选取100个参数个参数中心值中心值确定参数中心值确定参数中心值的分布特性的分布特性分析输出特性分析输出特性的中心值的中心值及分布特性及分布特性3.3 容差设计的基本流程容差设计的基本流程4 电子电路可靠性仿真软件电子电路可靠性仿真软件 由于技术体系差异等实际问题，造成当前由于技术体系差异等实际问题，造成当前电子产品设计过程中，性能设计与可靠性设计电子产品设计过程中，性能设计与可靠性设计不能有效结合，使得产品研制费用和研制周期不能有效结合，使得产品研制费用和研制周期增加。增加。该软件

9、为电路设计人员开展电路性能与可该软件为电路设计人员开展电路性能与可靠性同步设计与分析，提供了有效的手段和工靠性同步设计与分析，提供了有效的手段和工具，能够在电路性能设计的同时，综合分析故具，能够在电路性能设计的同时，综合分析故障、元器件参数波动等因素对系统可靠性的影障、元器件参数波动等因素对系统可靠性的影响，有效提高可靠性分析工作效率，减少人员响，有效提高可靠性分析工作效率，减少人员工作量。工作量。4.1 结构框图结构框图电路性能设计电路性能设计原理图设计原理图设计电路性能分析电路性能分析优化设计优化设计PCB设计设计时序检验时序检验 可靠性设计可靠性设计可靠性预计可靠性预计FMEA容差分析容

10、差分析温度分析温度分析测试性预计测试性预计 EDA工具工具TG-CFRSP工具工具数据接口数据接口控制接口控制接口性能仿真分析性能仿真分析故障仿真分析故障仿真分析参数灵敏度参数灵敏度仿真分析仿真分析容差仿真容差仿真分析分析温度仿真分析温度仿真分析可靠性参数计算可靠性参数计算FMEA/FMECAFMEA/FMECA分析分析测试性分析测试性分析软件工具软件工具电路管理电路管理产品树产品树电路功能树电路功能树电路图信息电路图信息电路判据电路判据电路元件信息电路元件信息电路结构电路结构4.2 主要功能主要功能产品产品树树元器件类型选择元器件类型选择故障模式设故障模式设置置4.3 界面浏览界面浏览故障仿

11、真分析故障仿真分析故障模式集合故障模式集合仿真任务集仿真任务集故障判据设置故障判据设置参数灵敏度分析参数灵敏度分析寻找对电路影响最显著的元器件参数寻找对电路影响最显著的元器件参数一一阶阶导导数数灵灵敏敏度度法法参数灵敏度分析参数灵敏度分析寻找对电路影响最显著的元器件参数寻找对电路影响最显著的元器件参数正正交交试试验验灵灵敏敏度度分分析析法法模拟电路容差分析模拟电路容差分析仿真设置仿真设置分分析析结结果果数字电路容差分析数字电路容差分析仿真设置仿真设置分析结果分析结果可靠性参数预计和分析：可靠性参数预计和分析：u 平均无故障工作平均无故障工作 时间（时间（MTBFMTBF）和）和 致命任务间的故

12、致命任务间的故 障时间障时间（MTBCFMTBCF）u 可靠度曲线可靠度曲线u 失效概率分布曲失效概率分布曲 线线u 元器件基本重要元器件基本重要 度和模式重要度度和模式重要度FMEA/FMECA：该软件提该软件提供故障模式分供故障模式分析和故障模式析和故障模式影响及危害性影响及危害性分析，可自动分析，可自动生成绝大部分生成绝大部分数据，人工只数据，人工只需进行部分修需进行部分修改即可。改即可。混合式直流接触器是依混合式直流接触器是依据铁路机车上据铁路机车上CZO-40型接触器的使用环境，型接触器的使用环境，采用电力电子器件，由采用电力电子器件，由逻辑控制电路控制，使逻辑控制电路控制，使机械触

13、头通断瞬间，由机械触头通断瞬间，由电子开关承担负荷；稳电子开关承担负荷；稳态时由机械触头承担负态时由机械触头承担负荷，从而实现无弧通断。荷，从而实现无弧通断。5.1 控制电路基本原理控制电路基本原理CZO-40型接触器型接触器5 混合式直流接触器控制电路的容差设计混合式直流接触器控制电路的容差设计混合式直流接触器框图混合式直流接触器框图 控制电路控制电路混合式直流接触器动作逻辑图混合式直流接触器动作逻辑图 接触接触器器线圈上电、掉电时间：线圈上电、掉电时间：Ton、Tdo接触器吸合与释放时间：接触器吸合与释放时间：Tcl、Tcu控制电路控制电子开关导通时间：控制电路控制电子开关导通时间：T1、

14、T2、T35.2 控制电路组成控制电路组成电电源转换源转换模块模块(110V-24V)电平检测模块电平检测模块 吸合脉冲触发模块吸合脉冲触发模块 吸合脉冲触发模块吸合脉冲触发模块 释放脉冲触发模块释放脉冲触发模块 释放脉冲触发模块释放脉冲触发模块 5.3 控制电路的容差设计控制电路的容差设计5.3.1 选择选择EDA仿真软件仿真软件脉冲脉冲触发电路原理图触发电路原理图 选择选择PSpice软件进行控制电路的容差设计软件进行控制电路的容差设计。5.3.2 容差设计步骤容差设计步骤5.3.2.1 确定可靠性指标和约束条件确定可靠性指标和约束条件可靠可靠性指标性指标：接触器无弧动作接触器无弧动作 工

15、作环境工作环境：-4080 电网电压波动：电网电压波动：70V130V 接触器寿命接触器寿命；100万次万次 可靠度要求可靠度要求:0.9980混合式直流接触器动作逻辑图混合式直流接触器动作逻辑图 约束条件：约束条件：TonT1Tcl;T3Tcu5.3.2.2 确定参数中心值确定参数中心值及相关设计变量及相关设计变量吸合时间吸合时间Tcl的均值的均值cl=89.8689 ms ，标准差，标准差cl=23.2364ms 释放时间释放时间Tcu的均值的均值cu=39.2687 ms ，标准差，标准差cu=20.8973ms 接触器吸合时间接触器吸合时间Tcl分布分布曲线曲线接触器释放时间接触器释放

16、时间Tcu分布曲线分布曲线接触器吸合时间接触器吸合时间Tcl分布分布曲线曲线接触器释放时间接触器释放时间Tcu分布曲线分布曲线 根据根据Tcl和和Tcu的分布规律的分布规律(实测）实测），可以确定控制电路出可以确定控制电路出特性的中心值特性的中心值T1=45ms、T2=160ms、T3=110ms 与参数与参数T1和和T2相关的设计变量是吸合脉冲触发模相关的设计变量是吸合脉冲触发模块中的块中的R2、C4和和R3、C3。吸合脉冲触发模块吸合脉冲触发模块 与参数与参数T3相关的设计变量是释放脉冲触发模块中的相关的设计变量是释放脉冲触发模块中的R5和和C8。释放脉冲触发模块释放脉冲触发模块 5.3.

17、2.3 控制电路的仿真控制电路的仿真R3110kV1TD=0TF=1msPW=1sPER=3sV1=0TR=1msV2=110VQ2Q2N5551R4130kR17160kVPOWEROUTPUTC20.1uR16820kR11300kD21D1N4007R13820kC110uD22D1N4007C51uD32D1N4148INPUTR10820kU7BCD4001A564714D26D1N4148GNDPOWERD27D1N4148U8ACD4001B123714R14820kR833kD29D1N4148R1282kPOWERR52.53kR922kC30.33uGNDD13D1N447

18、0D18D1N4007C8470uINPUT0NEXTPUTQ6Q2N5551R1100Q3Q2N5401Q5Q2N5401U7ACD4001A123714C41uR185kD28D1N4148R6510kU6LM7812C123INOUTGNDD20D1N4007D19D1N4007R24kD33D1N4148R747kR15820kQ4Q2N5401U8BCD4001B564714C71uPOWER控制电路的控制电路的PSpice仿真原理图仿真原理图电源转换模块电源转换模块(110V-24V)吸合脉冲吸合脉冲触发模块触发模块释放脉冲触释放脉冲触发模块发模块仿真得到的各目标输出特性的中心值：

19、仿真得到的各目标输出特性的中心值：T1=47.619ms、T2=160.61ms、T3=114.31ms理想中心值：理想中心值：T1=45ms、T2=160ms、T3=110ms控制电路输出波形图控制电路输出波形图仿真得到的各目标输出特性的中心值：仿真得到的各目标输出特性的中心值：T T1 1=47.619ms=47.619ms、T T2 2=160.61ms=160.61ms、T T3 3=114.31ms=114.31ms5.3.2.4 容差分析与分配容差分析与分配释放脉冲的蒙特卡罗分析波形释放脉冲的蒙特卡罗分析波形取电阻取电阻R=160k精度为精度为5%；电容；电容C=1F精度为精度为5

20、%。输出特性输出特性T3的统计直方图的统计直方图取电阻取电阻R5=160k精度为精度为5%；电容电容C8=1F精度为精度为5%；输出特性输出特性T3的的均值均值=115.13ms标准差标准差=7.37107ms 5.3.2.5 可靠度计算可靠度计算输出特性输出特性T3：均值均值=115.13ms标准差标准差=7.37107ms 输出特性输出特性T3（蒙特卡罗分析）（蒙特卡罗分析）与释放时间与释放时间Tcu分布分布曲线曲线(实测）。实测）。在约束条件在约束条件 T3 Tcu下，下，计算计算可靠度可靠度 3=0.9997。释放时间释放时间Tcu：均值均值cu=39.2687 ms 标准差标准差cu

21、=20.8973ms 5.3.2.6 选择容差分配方案选择容差分配方案 RC5%2%1%0.1%20%0.99270.99270.99270.992710%0.99720.99930.99930.99935%0.99970.99970.99970.99972%0.99970.99980.99980.99981%0.99980.99990.99990.9999T3在不同元器件容差配合下的可靠度在不同元器件容差配合下的可靠度 选择选择C8精度为精度为10%、R5精度为精度为2%的容差分配方案的容差分配方案 T1在不同元器件容差配合下的可靠度在不同元器件容差配合下的可靠度 T1选择选择C4精度为精度

22、为5%、R2精精度为度为5%的容差分配方案的容差分配方案 RC5%2%1%0.1%20%0.89440.89620.89800.898010%0.99040.99450.99480.99455%0.99990.99990.99990.99992%0.99990.99990.99990.99991%0.99990.99990.99990.9999 RC5%2%1%0.1%20%0.97320.97320.97260.972610%0.99510.99550.99550.99535%0.99790.99830.99830.99832%0.99840.99870.99870.99871%0.9984

23、0.99880.99890.9989T2在不同元器件容差配合下的可靠度在不同元器件容差配合下的可靠度 T2选择选择C3精度为精度为5%、R3精精度为度为2%的容差分配方案的容差分配方案 5.3.2.7 控制电路容差设计结果控制电路容差设计结果混合式直流接触器控制电路容差设计结果混合式直流接触器控制电路容差设计结果 目目标标参参数数电电容容精精度度电电阻阻精精度度中心值中心值msms（）容差容差msms（）技术技术指标指标msms可靠度可靠度可靠度可靠度指标指标T T1 15%5%5%5%48.182848.18283.111163.1111689.868989.868989.86890.998

24、30.99830.99800.9980T T3 310%10%2%2%115.261115.26112.309412.309439.298739.29870.99920.99920.99800.9980 容差设计是提高产品可靠性的一个重要方法。通过容容差设计是提高产品可靠性的一个重要方法。通过容差设计，确定了混合式直流接触器控制电路中各关键差设计，确定了混合式直流接触器控制电路中各关键参数的精度，使接触器在各种给定条件下均能达到可参数的精度，使接触器在各种给定条件下均能达到可靠度要求；靠度要求；利用了利用了EDA仿真软件仿真软件PSpice，不仅减轻了电路建模不仅减轻了电路建模的工作量，并且避免了蒙特的工作量，并且避免了蒙特-卡罗分析的繁杂运算；卡罗分析的繁杂运算；由于由于PSpice软件中的元器件模型比较理想化，所以建软件中的元器件模型比较理想化，所以建立的电路模型与实际电路特性相差比较大。对小型电立的电路模型与实际电路特性相差比较大。对小型电路进行容差设计，尚可以根据计算和实际试验数据对路进行容差设计，尚可以根据计算和实际试验数据对电路模型进行修改；若要建立较复杂电路的精确模型，电路模型进行修改；若要建立较复杂电路的精确模型，难度还比较大。难度还比较大。5.3.2.7 结论结论THE END