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電路可靠性設計與元器件選型

嘉峪檢測網        2019-12-13 21:03

較普遍的一個現象是:研發人員無一例外的同聲譴責采購和工藝部門,對元器件控制不嚴,致使電路板入檢合格率低、到客戶現場后頻頻出毛病。并舉出了諸多文獻實例和專家發言來佐證自己的論斷,并希望我也能隨聲附和幾句,可以借此給相關物料和制造部門施加一點壓力,但最后我讓他們失望了。

 

我給下的結論無一例外都是怪到了研發的頭上。并送給了研發弟兄們幾個總結性觀點:①在公司里,研發隊伍已經足夠強勢,不必再由我添加壓垮駱駝的那最后一根稻草;②產品的可靠性水平和研發的強勢程度成反比;③電路設計錯誤和器件應用不當占了故障的八成因素。

 

舉幾個簡單例子:

一個電解電容緊挨著散熱片焊接的,與電解電容相關聯的那部分電路參數容易漂,現象和結果就是機器參數不穩;綠色發光二極管的色調不一致,外觀看起來不美觀,發光管都有個波長的要求,即使都是綠光,波長的細微差別也會導致色差,而設計文件上并沒對發光管的波長做出規定。
某塊電路工作不好,發現將PCB板信號線的一個電感換成磁珠就好了,于是就改了BOM 單,電路板上趴著個磁珠大肆生產了。常規理解看來,磁珠似乎和電感的特性是相同的,但事實上磁珠表現的是一個隨頻率變化的電阻特性,是消耗性的,而電感是儲能特性,是儲存性的削峰填谷。即使從實際結果來看,似乎更換器件后沒問題,但其實并沒有搞通真正的器件機理。病雖然莫名其妙的好了,但病毒的隱患仍在。 “宜將剩勇追窮寇,不可沽名學霸王”,毛主席教導我們,做電路要對電路和器件窮根究底。
還有很多類似的問題,比如散熱,似乎熱設計只和機箱內溫度有關,卻忽視了一個致命的問題,溫度系數,即使溫度不夠高到燙手的地步,溫度的升高是否會導致溫漂,溫漂后的參數值是否會將器件的特征參數推到電路正常工作的邊緣?
比如降額,幾乎所有工程師都說“我們降額了,基本降了50%,余量是足夠的,這個問題肯定沒有”。那么降額時,所有該降額的參數都降到了安全范圍嗎?同一類功能的器件,換了不同封裝形式或生產工藝的時候,一樣的降額系數能降出一樣的效果來嗎?在特定位置、特定電路下的器件,明確哪個特定參數該降的更大一點嗎?
還有電磁兼容、振動、可維修性、測試等等多方面的問題,知己知彼,百戰不殆,在實際的考察中,發現既不知己、也不知彼的設計太多,不知己是不知道自己不知道什么,不知彼是不知道設計所面對的對象的諸多參數、條件、工藝、特性,而恰恰是由此引出了太多的技術問題。

“不知年之所加,氣之盛衰,虛實之所起,不可以為工”,中醫上要求,不了解患者的年、氣、虛實,就不可以開藥下方,中醫做到了,他們不敢,他們的錯誤會導致人命,而我們為什么不了解電路和器件的情況下就可以做設計呢,難道僅僅是因為我們的錯誤不會死人?

 

1、電子可靠性設計原則
電子可靠性的設計原則包括:RAMS定義與評價指標、電子設備可靠性模型、系統失效率的影響要素、電子產品可靠性指標、工作環境條件的確定、系統設計與微觀設計、過程審查與測試、設計規范與技術標準。
有人說了,設計原則就是絕對正確的廢話,誰都會說,誰都不會用。通俗的翻譯出來就是設計原則很難和實際設計建立直接的影響和聯系。
這一段主要是方法論,關于技術的方法.論,錢學森老人的偉大眾所周知吧?但他的水平和優勢是什么?電子、機械、軟件、測試、管理?都不是,是系統方法.論和工程計算。當我們要決策一個電路的器件選型的時候,如果有一個基本公式,直接告訴了我們應該重視哪個指標,器件選型和電路設計還是一件難事嗎?
舉個例子,一個插座電纜,上面要通過10A的電流,是用2根8A的導線并聯分流好呢?還是用一根14A的電纜好呢?通過可靠性模型可以輕松得到答案。
驅動一個發光管,是用三極管好呢,還是用運放好呢?
前段時間去青島,參觀了青啤的啤酒博物館,看到了一個世紀前,德國的電機和日本的風扇,世紀后的今天仍然能正常工作,令人艷羨不已。系統失效率的影響要素可以告訴您這個結果的答案,放在今天,德國、日本和我們一樣,也造不出耐一個世紀的電機和風扇。
電子可靠性要想提升,應該從哪些具體問題點下手呢?
這些都是系統方法.論和工程計算可以幫助解決的問題,錢老走了,他的智慧和思維需要有人繼續傳承下去,我能做的是傳播錢老的思想,希望有更多的人參與進來,更廣泛的理解和應用。
2、電路可靠性設計規范
電路可靠性設計規范包括降額設計(降額參數和降額因子)、熱設計(熱設計計算、熱設計測試、熱器件選型)、電路安全性設計規范、EMC設計、PCB設計(布局布線、接地、阻抗匹配、加工工藝)、可用性設計(可用性要素、用戶操作分析、設計準則)、可維修性設計(可維修性等級、評估內容、設計方法)
電路可靠性設計規范的一個核心思想是監控過程,而不是監控結果,舉個最通俗的比方是,設計規范是懷孕過程的維護,保證優生。這些都是各前人多年經驗的總結,按照這些具體的設計方法去做了,產品的可靠性隱患就會被排除了。
比如熱設計,按照熱功率密度、熱流密度的計算確定下來的散熱方法,您就不必擔心散熱不夠了;按照熱阻和結溫的計算方法,選定了風扇和散熱片,只要有足夠的余量,也不必擔心自己是“盲人騎瞎馬,夜半臨深池”了。
PCB的接地,這個似乎最簡單又最復雜的問題,到底有沒有一種放之四海而皆準的接地思路,讓我們只有歡喜不再憂呢,答案是“有”。
可用性好像對我們沒太大影響,就好像我們去面試一樣,影響我們面試成敗的似乎是學歷證書、工作經驗等,但門牙上的韭菜葉子,會不會導致失敗?按鍵的色彩、大小、按下去的手感和力度、鍵的形狀、鍵的布局,顯示的內容、顯示的方法、顯示的角度、顯示的大小,跟門牙的干凈程度有何區別?對于用戶,有一個最通俗的說法:“界面即系統”。用戶不曉得那么高深的理論和內部構造,內部的東西只要保證好用,剩下的就是外觀的美妙了。尤其是新用戶,外觀更是決定購買與否的第一要素。大學里追女生,都是首選好看的吧?
可維修性可就直接決定了金錢的花費,可維修性分三.級,現場級、辦事處級、總部級,不同的級別,維修工具的價值、配套工具的多少、維修人員的水平、維修人員的人數、配件的充裕程度都是不一樣的,試想一下,定義為“現場級”的維修等級,卻有一個需要3個人才可以搬動下來的蓋子,維修人員幾人一組搭伴出差?定義為“辦事處級”,卻需要配備頻譜儀、邏輯分析儀、示波器等高檔儀器才可以維修,維修工具的成本將為幾何?更遑論需要配套的諸多設施如水、電、氣、其他設備了。
3、可靠性測試
可靠性測試包括標準符合性測試、邊緣極限條件測試、容錯性測試、HALT測試、破壞性測試、隱含條件測試、接口條件測試。
和諸多技術人員溝通,都想做好可靠性設計,但普遍反映兩點難題:一是缺乏經驗,二是在家里測不出問題,到現場就有問題。
缺乏經驗的問題可以通過第二部分的方法解決,測試問題的解決就是通過本節了。測試的核心點是測試用例的設計,集中在兩部分,一部分是盡量去模擬用戶現場的最惡劣應用條件,一部分是針對可能的失效機理,人為增加破壞因素,激發出問題,找到薄弱點并改進之。但須注意,很多測試是具有一定程度破壞性的,需要分析下,經歷過破壞性測試的機器是絕不能出廠應用的。
4、元器件選型
元器件選型包括了選型的基本原則、系列元器件的分類、特性、選型指標、可靠性應用注意事項等,包括電容、電阻、二極管三極管、接插件、晶振、電控光學器件(光耦、LED)、AD/DA及運放、電控機械動作器件、能量轉換器件(開關電源、電源變換芯片、變壓器)、數字IC、保護器件(保險絲、磁環磁珠、壓敏電阻、TVS管)、電源模塊等。
女孩子流行著一個口號,“干得好不如嫁得好”,雖然網上正反雙方論戰激烈,但一個事實誰也不能否認,女孩子最后的結局還真就是嫁得好比干得好的比例高的多得多。干得好是電路設計得好,嫁得好是器件選型選得好。同樣是電容,鉭電解和鋁電解的區別、電解和瓷片的區別,線繞電阻和膜式電阻的區別,數字IC重點關注哪幾個指標,保護器件的選擇指標依據什么,誰都知道,保鏢警衛變質可就慘了。
我們就象廚師,我們不管種菜,但我們炒出來的菜的味道是要受菜、水、肥、氣候等的影響的,不然就不會出現茅臺鎮的茅臺、山西的汾酒、梅雨季節的臭豆腐等專屬品了。同理,器件的制造工藝和其制造工藝所引出的器件特性都是需要我們了解并在應用中加以規避的。比如線繞電阻的電感量大、紙介電容的漏電流大、電容的ESR值對電路設計的影響、瓷片電容的耐溫變率和耐震動的水平低、TVS耐浪涌電流小但反應時間快,磁環的效果取決于材料和裝配,耐振動差等等。
5、元器件失效機理與分析方法
元器件失效機理和分析方法包括常見的失效機理、分析方法和工具。
以上內容全都是如何防止電路工作不正常和防止器件壞,但智者千慮難免一失,一旦壞了,千萬不要敬而遠之,而應該如獲至寶。開車的人都知道,哪里最能練出駕駛水平?高速公路不行,只有鬧市和不良路況的時候。社會的發展就是一個發現問題解決問題的過程,出現問題不可怕,但頻繁出現同一類問題是非常可怕的。
器件失效的分析是基于一個基本的改進手段,“基于失效機理的預防措施”。問題發現了,把引起問題的要素規避了,形成了規范,大家以后設計都遵守了,問題自然不會再現了。
比如,ESD的防護,很多公司都在做,做的方法包括加濕,但加濕可能會帶來MSD的問題,如果通過I/V曲線測試,發現波峰焊載流焊后出現器件某些管腳對VCC、GND開路,那就要考慮MSD問題了,解決辦法就是在焊接前加熱幾個小時,將潮氣散發出去。

比如器件燒壞了,要檢測一下是哪個管腳壞掉了,及壞掉的現象是什么,通過萬用表、I/V曲線圖示儀、示波器,高級點的外協找X射線透視下,判斷出失效的機理,并順藤摸瓜,找到那塊與該管腳關聯的電路,分析電路和工廠內的工藝過程,找到引起該失效機理的點并改進之。

6、電路可靠性設計微觀管理方法

提升可靠性的微觀管理方法很簡單,包括了三部分:軟件工具、AAR、checklist。

按道理說,技術性內容不應該摻雜管理,但事實上管理是可以促進技術的,比如,公司里有人已經掌握了某個知識點,但別人不知道他會,管理上的措施可以將他知道的激發出來,并指導別人的設計實踐,這樣就相當于用非技術手段解決了技術問題。
這部分的方法主要是針對開展可靠性工作的幾個障礙實施的。障礙一是人容易犯懶,自己覺得差不多,找到指導性文件資料的代價有點大,覺得差不多就自顧自設計去了,軟件工具的作用是降低技術溝通障礙;障礙二是技術水平經驗不夠,那就開展After Action Review(行動后反思),將每次發生的問題的起因、現象、改進方法等都總結出來,并通過軟件工具共享之,我們一直在努力,每天都在提高,沒經驗又何懼,成長得快也是解決技術經驗的手段;障礙三是一個人某一刻能想到的問題是會受限的,讓一個高手評審某個設計,他評審時的狀態會讓他遺漏內容,checklist比較系統,既可以用于設計師自查,也可以用于評審專家參考,避免遺漏,既是低水平者很好的學習材料,又是高水平者的參考。

PS:本文由電子工程專輯專家博主“武曄卿”原創

 

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來源:Internet

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