假设对某一产品/系统要求的可靠性为：MTBF大于2000H，那么在对此系统立项时，MTBF应该设立怎么样的目标值？如何达到这一目标值，这就关系到可靠性预计和分配。

开展可靠性预计和分配工作，是确保设计、生产“好”产品的指导性和基础性工作。首先将产品可靠性指标自上而下逐级地分配到产品的各个层次，借此落实相应层次的可靠性要求，并使整个与各部分之间的可靠性相互协调。尽量做到既避免出现薄弱环节又避免局部“质量过剩”而带来浪费。可靠性预计则是自下到上地预计产品各层次的可靠性参数，判断各层次设计是否满足分配的可靠性指标。只有各层次的可靠性分别达到分配的要求，才能保证产品可靠性指标得以实现。对未达到分配指标要求的设计，则能发现其可靠性薄弱环节、设计上的隐患及提供选择纠正措施的指南，并依此改进设计直到满足指标要求为止。在产品设计阶段就应该“设计进”规定的可靠性指标，也就是必须通过开展可靠性预计和分配工作尽早来落实产品的可靠性指标，而不是靠产品既成之后的抽样统计试验结果。

一、MTBF的设计目标值

为了使产品满足使用要求，也就是为了使产品的MTBF达到一定的最基本的要求，我们应该在从设计阶段就开始考虑这个要求；很显然，如果要求产品在使用时MTBF为200H，那产品在设计的MTBF就应该比200H大，才有把握保证产品的MTBF满足这一要求。使用时MTBF与设计时MTBF一般情况下满足如下关系：

 

 

可靠性定量指标MTBF（θ）有诸多参数，它们之间关系上图所示。

θ_T（MFHBF）——门限值。根据用户需求或使用要求而定；

θ_MAV——最低可接收值，一般θ_MAV/θ_T=1.25，它是考核指标；

θ₁——MTBF检验下限值，在统计测试方案中，当产品MTBF真值接近或等于θ₁时，以高概率拒收该产品，一般θ₁/θ_MAV =1.25。

θ₀——MTBF检验上限值，在统计测试方案中，当产品MTBF真值接近或等于θ₁时，以高概率接收该产品，一般θ₀/θ₁ =D₀；

按GJB 899测试方案Ⅲ，α=β=0.1，D₀=D=2；

θ_p——MTBF设计值，又称规模值，是《研制任务书》中规定和期望达到的指标；按GJB299预计θ_p/θ_o=1.25。

所以θ_p/θ_T＝3.9；也就是说，设计目标值最小应该在实现使用要求值的4倍；一般情况下设计值为实现使用要求值的5~10倍。

二、可靠性模型

为了定量分配、估计和评价产品的可靠性，建立产品的可靠性模型是一种直观的、有效的方法。可靠性模型包括可靠性方框图和可靠性数学模型。产品典型的可靠性模型有串联模型和并联模型，还有些复杂的模型等等。例如（本例中各参数的意义、各参数与其它可靠性参数之间的关系，随后有详述）：

（1）m个单一系统串联（只要有一个单元失效，整个系统就失效）

 

 

（2）m个单一系统并联（只要有一个单元能工作，整个系统就能工作）：

 

 

（3）三个混合联结：

 

 

（4）复杂可靠性模型的建立

对于复杂结构模型,如果是简单的串并或并串的混联结构,其建模和数学模型的计算较简单。对很难转换为简单的串并结构模型的分析需采用其他方法,常用的有布尔真值法、概率展开分析法、贝叶斯法等；这里不作叙述。

注：产品的可靠性框图表示产品中各单元之间的功能逻辑关系，产品原理图表示产品各单元的物理关系，两者不能混淆如，某振荡器由电感和电容器组成，从原理图（图A）上看两者是并联关系，但从可靠性关系上看，两者只要其中一个发生故障，振荡器都不能工作，因此是串联模型（图B）。

 

 

 

 

三、可靠性分配

在产品的设计阶段，就要把要求的MTBF“设计进”产品里。当产品的结构复杂时，将可靠性指标自上而下逐级地分配到各个简单的结构。它是一个由整体到局部，由上到下的分解过程，这个过程就叫做可靠性分配。可靠性分配有许多方法，如等分配法、评分分配法、比例组合法、动态规划法等。

1、等分配法

顾名思义，等分就是将失效率分配到各个部件时，是均分的。如一个有两个模块的系统要求MTBF为500H，则分配到每个模块的MTBF都为1000H。

2、评分分配法

在产品的可靠性数据缺乏的情况下，可以请熟悉产品、有工程实际经验的专家，按照影响产品可靠性的几种主要因素（如：复杂度、技术成熟度、重要度及环境条件）进行评分（每一种因素的分值在1~10之间，难度越高评分越高），然后根据评分的结果给各分系统或部件分配可靠性指标。例如某个系统（要求的MTBF为500h）由A/B/C/D四个部件组成，各部件评分如下表：

部件	复杂度	技术成熟度	重要度	环境条件	各部件评分	各部件评分系数Ci	分配给各部件的故障率	分配给各部件的MTBF
A	8	9	6	8	3456	0.462279	0.00092456	1081.597
B	5	7	6	8	1680	0.224719	0.00044944	2225
C	5	6	6	5	900	0.120385	0.00024077	4153.333
D	6	6	8	5	1440	0.192616	0.00038523	2595.833
合计					7476	1	0.002	500

说明:（1）对四个部件（A/B/C/D）按四种因素评分后，填入上表；

（2）对A部份而言，最后评分为8*9*6*8＝3456；B的评分为5*7*6*8＝1680；同理C的评分为900、D的评分为1440；最后四部分总分为：7476；

（3）对A部份而言，评分系数为3456/7476＝0.46；B的评分系数为1680/7476＝0.22；C的评分系数为0.12；D的评分系数为0.19；

（4）对整个系统而言，失效率为1/500＝0.002；

所以分配给A的失效率为：0.46*0.002＝0.0009，对应的MTBF为1081.6H；

同理得B/C/D的失效率和MTBF。

3、比例组合法

只是在一些资料上看到说有这项内容，但是我也没有听说过，也没有查到，所以………………55555555……

四、可靠性预计

为了达到分配的目标值，首先要知道的是将要设计的系统的可靠度可以达到什么水平。如果系统可以达到的MTBF远大于设计目标，就可以进行研发；如果小于设计目标值，就必须重新设计。那么如何确定将要设计的系统的MTBF值？在产品研发早期阶段各种信息还不足，无法计算，仅能用概略预计法进行可靠性指标预计；

现推荐一种简便、准确、实用方法，即《简单枚举不完全归纳快速预计法》，简称CW可靠性指标预计法。CW法预计公式：

 

 

λ_S——系统失效率

λ₀——电子元器件平均基本失效率，对于国产器件λ0= 10^-5-10^-6（1/h）、对于进口器件λ0=10^-7-10^-8（1/h）；

K1——降额设计*效果因子，根据降额设计水平不一样，一般取K1=（10--1）×10-2；考虑到产品的体积、重量与成本，一般取K1=10-1；

K2——环境应力筛选效果因子、产品经过环境应力筛选测试，可靠性将有一定幅度提高，一般K1=0.5--0.1。

K₃——环境影响因子。产品使用于不同环境其取值也不同，K3取值见下表：

使用环境	K3	推荐值
测试室内	0.5--1	1
普通室内	1.1--10	5
陆用（固定）	5--10	8
车载	13--30	20
舰船载	10--22	15
机载	40--80	50

K₄——机械结构影响因子。在使用中，机械结构件也会产生故障。一般取值K₄=1.5--3.5；

K₅——制造工艺影响因子。产品在制造过程中，制造工艺不良也会影响产品可靠性；一般取值K₅=1.5--3.5；

N——系统所含电子元器件数量；

MTBF_S——系统平均故障间隔时间；

用CW法预计可靠性指标，只需要知道设计中所以用到的电子元器件的个数、电子元器件的产地、系统将要使用的环境（就可以估计出系统的λ_S，从而得到MTBF）；

*降额设计是一种为了提升产品可靠性而常用的设计方法，此部分内容随后给出说明。这里先给出一个CW法预计实例（例一）：

某陆用移动产品，该产品含有进口电子元器件约为2000个，其固有可靠性指标为：

λ_S=λ₀·K ₁·K ₂·K₃·K₄·K ₅·N

=10^-7×10^-1×0.5×5×1.5×2×2000

=15×10^-5/h

 

 

在使用过程中，要求MTBF为200H，则设计目标值为800H，6667>800，也就不需要改动了。但用户要求MTBF为2000H（则设计目标值为8000H），对于一个MTBF为6667H的系统（此时的可靠性称为系统的基本可靠性），为了达到MTBF为8000H的要求，就必须提升系统完成任务的能力（也就是提升系统的任务可靠性）。这种使产品的可靠性获得提高的过程称为可靠性增长。

五、可靠性设计方法

1、降额设计；

降额设计，为了提升电子设备的可靠性而常用，主要是指构成电子设备的元器件使用中所承受的应力（电应力和温度应力）低于元器件本身的额定值，以达到延缓其参数退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。

施加在电子元器件上的电应力、热应力大小直接影响电子元器件的失效率高低。如锗NPN晶体管基本失效率与电应力及热应力关系，如果温度不变（ 0℃），而从满负荷使用降至额定负荷的0.1使用，则基本失效率降低了6倍；如果电应力不变（额定负荷的0.1）而温度从 90℃降至 0℃，则基本失效率降低了16倍；如果负荷及温度都降低，电应力从额定值0.6降至0.1，而温度从 55℃降至 0℃，则基本失效率降低到原来的1/20。

在降额设计中，“降”得越多，要选用的元器件在性能就应该越好，成本也就越高，所以在降额设计过程中，要综合考虑。电子产品发展到今天，人们已经总结出“降额”的通用准则。但并不所有的电子产品都可以“降额”，在实现设计过程时，应该注意：

A、不应将标准所推荐的降额量值绝对化，应该根据产品的特殊性适当调整；

B、应注意到，有些元器件参数不能降额；

C、一般说来，对于电子元器件，其应用应力越降低越能提高其使用可靠性，但却不尽然。如聚苯乙烯电容器，降额太大易产生低电平失效；

D、为了降低元器件的失效率，提高设备可靠性而大幅值降低其应用应力，按其功能往往需要增加元器件数量和接点，反而降低了设备可靠性；

E、对器件进行降额应用时，不能将所承受的各种应力孤立看待，应进行综合权衡；

F、不能用降额补偿的方法解决低质量元器件的使用问题，低质量产品要慎重使用；

2、冗余设计

一个系统的可靠度为MTBF＝6667H，达不到设计目标值MTBF＝8000H；如果把两个这样的系统“并联”起来，结果将会怎么样呢？

 

 

分析：

一个系统的可靠度MTBF＝6667H，对应的失效密度为λ₁，可靠度为R₁，失效率为F₁；并联后的系统对应的失效密度为λ_s，可靠度为R_s，失效率为F_s；则：

F_s＝F₁×F₁，

F₁＝1－e^-1t

F_s＝1－e^-st

λ₁ ＝1/MTBF

MTBF_s＝1/λs

近似计算后得：MTBF_s＝1.5×MTBF＝10000（h），也就满足了设计目标值；

这就是一个简单的冗余设计例子；

冗余设计过程中，必定会增加整个系统的体积、成本等；在整个设计过程中也要综合考虑。在进行冗余设计时，一般情况下应注意：

A. 在设计时应在可靠性、体积、重量及成本四者之间进行权衡优化设计；

B. 在设计时，不是构成系统所有的单元都需要进行冗余设计，应选取那些可靠性薄弱环节和对执行任务及安全性影响至关重要单元进行冗余设计。

C. 为了提高系统的任务可靠性，如果提高单元的元器件可靠性可以与进行冗余设计有相同可靠性水平；同时，提高单元的元器件水平较易且成本不高，那就采取提高单元的元器件可靠性水平，即选用高可靠元器件，尤其对长期工作的通讯产品尤为重要，往往在较长工作时间更显现出选用高可靠元器件的优越性；

从上面的冗余设计中，可以看出两个单元结构是并联的。除并联处还有很多其它的结构/模型，这里不作多述。

3、热设计

对电子产品而言，一方面当温度升高时失效率成指数形式增加、一方面是有些电子只能在某一温度下使用，为了提升产品的可靠性，工作过程中，让系统稳定在一个合适的温度是非常必要的；这样，在设计的最初就应该考虑到热量的产生与发散的问题，这部份工作就是热设计的主要内容；

3.1 热量的产生

电子设备内部热源主要是一些发热的电子元器件，如电真空器件、半导体器件、集成块以及电阻器、电容器、变压器、流圈等，它们的热能均由电能转换而成；集成电路的热耗一般用V_cc×I_cc计算；

高速飞行的导弹以及其它的飞行器，由于空气阻力的作用，在设备的外壳上将产生大量的热量，这些热量将传到装在飞行器内的电子设备中；

为了克服机械运动过程中的摩擦力将损失部分能量，这又是一种热能的转换形式；

新电子设备所使用地点不同和载体用途不同及其在载体上所处位置其环境温度也大不相同。如月球表面在太阳照射情况下可大 274℃，而石油厕井仪探头在进入 300m井下可达 300℃多；

3.2 热传导公式

传热类型	数学公式	参数说明
传导散热	Q=KA△t/L	Q=传导散热量（W）     K=导热系数（W/m ℃） A－导体横截面积(m2)   △t-传热路径两端温差（℃） L-传热路径长度（m）
自然对流 散热	Q=h△t	Q=对流散热量（W）     R=换热系数（W/m 2℃） A-有效散热面积(m2)   △t-换热表面与流体温差（℃）
辐射换热	Q=εσT4	Q=辐射散热量（W）    ε=散热表面辐射率（W/m 2℃） T-绝对温度（K）      σ-斯蒂芬-玻尔兹曼常数(W/m 2℃)
半导体器件 自然冷却	（tj-ta）/ф=Rj+Rb +Rf	tj——器件结温        ta——环境温度 Rj——内热阻          Rb——界面热阻 Rf——散热器热阻     ф——器件功能

3.3 热设计常用的技术措施

为了使元件不在过高温度下工作、以避免参数漂移、保持电气性能稳定，为了提升电子设备的可靠性、延长使用寿命，在产品最初设计时，我们就应该考虑到产品的热性能，使整个系统工作在合理的温度范围内。电子设备的冷却方法有多种，可以单独地或由几种冷却方法联合作用（如自然冷却、强迫冷却、蒸发冷却、半导体制冷等方法），将热量从设备中（或元件上）带走，或传到设备外的周围介质中去；

在热设计时，常用的技术措施有：

1.                     应最大限度地利用传导、自然对流和辐射等简单、可靠的冷却技术。

2.                     应尽可能地缩短传热路径，增大换热（或导热）面积。

3.                     元器件安装时，要充分考虑周围元器件辐射换热的影响，热敏器件应远离热源或采取热屏蔽措施。

4.                     增加表面黑度，提高辐射换热能力。

5.                     对太阳辐射应有相应的防护措施。

6.                     对嵌埋状态的热源，须用金属传热器通至冷却装置。

7.                     对需散热1K以上的元器件应安装在金属地底盘或传热通道上，并通至散热器。

8.                       在需要高传热性能时，可靠考虑采用导热管，导热管散热量可比实心铜导体高数百倍。

9.                       如果环氧玻璃树脂印制线路板不足散发所产生的热量，应考虑加设散热网络和金属条散热。

10.                    应控制印制板组装件之间的间距，一般可控制在19 -21mm之间。

11.                    采用强制风冷系统时应保证在箱内有足够的正压强。

12.                    进气口和排气口之间应有足够距离，要避免热风回流。

13.                    进入的空气与排出的空气之间的温差应小于 14℃。

14.                    设计时，应注意强迫通风与自然通风的方向尽量一致。

3.4热设计常用流程

4、EMC设计

电磁兼容是研究在有限的空间、时间和频谱资源下，各种设备或系统可以共存而不致引起降级的一门科学。电磁兼容（EMC）包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两个方面。电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

要提升这种能力，有许多应用课题要解决，如：电磁波的散射、透射、传输、孔缝耦合，各种干扰源的机理和特性，各种干扰参数的计算和测试，各种结构的屏蔽效果，各种防护方法、测试方法、标准等等。对应设计的方法也有多种，如：防静电设计、防雷设计、防地电位升设计等等；一般从以下方面考虑，以保证产品的EMC特性：

1、静电放电的防护。首先要阻止电流直接进入电子线路，最普通的办法就是建立完善的屏蔽结构（必要时在外壳与电路之间增加第二层屏蔽层），屏蔽层接到电路的公共接地点上。对内部的电路来说，如果需要与金属外壳相连时，必须采用单点接地的方式，防止放电电流流过这个电路，造成伤害。

2、屏蔽。采用屏蔽的目的有两个：一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。主要对电场、电磁场、磁场进行屏蔽（现实对磁场的屏蔽更难）。

3、接地。接地的目的一是防电击，一是去除干扰。接地可分为两大类，即安全接地与信号接地。接地时应该注意：接地线愈短愈好、接地面应具有高传导性、切忌双股电缆分开安装、低频宜采用单点接地系统、高频应采用多点接地系统、去除接地环路；

4、滤波。实际工作中，无法完全做好接地与屏蔽的工作。因此，会采用滤波（将不需要的信号去除）的方式来弥补不足，主要通过滤波电路来实现。在实际使用中，由于设备所产生的杂讯中共模和差模的成分不一样，所采用的滤波电路也有变化，可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI测试后才能有满意的结果。

5、三次设计

三次设计也称田口方法，是田口玄一（日本）创立的优化设计的方法。他认为，设计可以分三个阶段进行：系统设计（提出初始设计方案）、参数设计（寻求参数的最佳搭配，提高产品性能的稳定性）、容差设计（对关键件以合适的公差范围）。三次设计的目的是用廉价元器件做成质量上乘、性能稳定可靠的产品。

在三次设计中，参数设计是最重要的，是三次设计的核心。通过参数设计，即使采用参数波动大的元器件，产品的整机性能仍十分稳定。如何达到此目的？首先使系统达到最大的信噪比（即保证系统在各种干扰的影响下是最稳定的），而不是保证目标输出值；接着再把系统的输出特性值调整到目标值（这样可以大大地提高产品的稳定性）。这个过程其实质在于非线性效应的利用。

在一个非线性系统/器件中：

1、器件的输入X与输出Y的一般波形如下图；

2、我们期望的目标输出值在A点；

3、在A点附近，如果输入的变化量Dx，对应的输出变化量Dy将很大；

4、所以在参数设计时，找到此器件最稳定的输出点：B点；

5、在B点附近，如果输入的变化量Dx，对应的输出变化量DY将很小；

6、针对Ｂ点的输出，我们采用一个线性器件把输出值调整到对应Ａ点的值即可。

 

 

本节对可靠性设计中常用的方法，作了简短的描述。希望起到抛砖引玉的作用，在设计阶段将产品的可靠性定位、实现在较高的水平。