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电路板设计可靠性:与组件有关

  • 发布时间:2021-02-19 08:23:34
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每当您电路板设计好时,始终存在可靠性问题。如果要使客户满意,新板必须具有最长的使用寿命。如果您正要在组件额定值的边缘进行设计,那么您可能正在无法判断电路板的可靠性和使用寿命。但是,您可以采用统计方法进行设计,以确保您的组件不会过分驱动,这可以防止它们过早失效。

有一些用于这种类型分析的常用技术。一种可靠的技术是一种可靠的概率设计,其中将组件公差和电功率变化表述为概率分布。这使您可以确定组件被过度驱动的机会,从而缩短其寿命。当我们考虑非线性分量时,情况不太清楚,需要从概率论中获得一些见解。

不同电路中可靠性的概率设计

所有组件都具有一定的公差等级;这些通常以绝对百分比或与标称值的偏差形式指定。被动元件在额定元件值上有一些规定的公差,通常为1%,5%或10%。这些容差可能会改变系统其他部分的标称电气性能,因此有可能会导致另一个组件被过度驱动。

根据其容差的概率分布来表示设计的电性能是为时不变电路保留的一项技术。这些电路可以是线性或非线性的,但对时间不变性的要求很重要。一旦我们允许电路的某些方面随时间变化,就需要回答连续独立性和对历史系统行为的条件依赖性的问题。在非线性反馈回路和控制回路中对此类行为进行建模仍然是一个活跃的研究主题,无论是在数学上还是在实验上。

对于您将遇到的绝大多数系统,您只需要考虑线性和非线性电路行为,以及该行为与组件被过度驱动的可能性之间的关系。一旦确定了特定组件中可能的电压,电流或功率值的范围,就可以了解该组件是否会过驱动。

 

可靠性设计


可靠性设计的概率设计:该曲线显示了某个组件被驱动到其绝对最大电压以上的概率(在该曲线的黄色阴影部分显示)。

在上图中,蓝色曲线显示了电路中特定组件上可能的电压分布。绿线表示组件上的平均(即预期)电压,红线表示组件上的最大额定电压。黄色区域显示将导致组件过驱动的所有可能电压值。在此,曲线下方的面积告诉您组件被过度驱动的概率为18.5%。

这个简单的例子应该说明可靠性分析的重要性。系统的寿命比其额定寿命短的可能性为18.5%。另一种思考的方式是这样的:离开工厂的成品设备中大约有五分之一会提前失效。对于关键任务电子系统,这种高故障率是不可接受的。

有两种方法可以解决此问题:

对于上述组件,您可能希望使用绝对最大额定电压更高的组件。可以对任何其他组件做出相同的陈述。

对于系统中的上游组件,解决方案是使用公差更严格的组件。这将使组件看到的可能电压的分布更窄,从而减少了过驱动和故障的机会。

了解公差与非线性电路之间的关系是通过概率设计提高可靠性的重要的下一步。 

线性与非线性电路的容差

即使您的电路是纯线性的,组件的公差和它们产生的电性能也不会始终呈线性比例。这是因为分量值的方差是正交的。考虑集总电路(例如,分压器或匹配网络)产生的电气行为时,没有用于组合方差的特定规则。

非线性电路也是如此。饱和(例如,在晶体管中)将减小方差对电输出的影响,而诸如非线性放大器或二极管之类的组件会增加它。这也使得很难确定实际非线性电路中容差的影响。

下面显示了非线性电路中可能发生的情况的一个示例。此处,左图显示了市售27欧姆电阻器的公差值范围。非线性电路可以根据电路的性质将此正态分布转换为非正态分布。结果,在特定组件上产生的电压会更长一些。

 

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