電子電路可靠性設(shè)計(jì)王淑娟2007.6.27電子電路可靠性設(shè)計(jì)王淑娟1可靠性基本概念2可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)3電子電路可靠性容差設(shè)計(jì)4電子電路可靠性仿真軟件混合式直流接觸器控制電路容差

設(shè)計(jì)主要內(nèi)容1可靠性基本概念主要內(nèi)容

產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。1可靠性基本概念

可靠性工程是為了達(dá)到產(chǎn)品可靠性要求而進(jìn)行的有關(guān)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和生產(chǎn)等一系列工作的總和。產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完可靠性設(shè)計(jì)是一種有約束的目標(biāo)最優(yōu)化問題，是在費(fèi)用、性能等約束條件下，為設(shè)計(jì)出滿足可靠性要求的產(chǎn)品而進(jìn)行的一系列設(shè)計(jì)程序，包括：元器件、零部件的選擇與控制、降額設(shè)計(jì)、簡化設(shè)計(jì)、余度設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)和健壯設(shè)計(jì)等。多年來世界各國開展可靠性工作的經(jīng)驗(yàn)證明：產(chǎn)品不可靠的原因中，設(shè)計(jì)占80%?？煽啃怨こ痰闹攸c(diǎn)在設(shè)計(jì)階段。2可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)可靠性設(shè)計(jì)是一種有約束的目標(biāo)最優(yōu)化問題，是在費(fèi)用、性1.元器件、零部件的選擇與控制需要綜合考慮產(chǎn)品的任務(wù)，以及元器件的生產(chǎn)、維修、供應(yīng)及標(biāo)準(zhǔn)化等各種因素。2.降額設(shè)計(jì)是使元器件或設(shè)備工作時(shí)承受的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷蛟O(shè)備規(guī)定的額定值，從而達(dá)到降低故障率，提高使用可靠性的目的。

3.余度設(shè)計(jì)就是用一套以上的設(shè)備來完成規(guī)定任務(wù)的設(shè)計(jì)，特別是當(dāng)基礎(chǔ)元器件、零部件質(zhì)量與可靠性水平較低，采用一般設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足設(shè)備的可靠性要求時(shí)，余度設(shè)計(jì)就具有重要的應(yīng)用價(jià)值。1.元器件、零部件的選擇與控制需要綜合考慮4.環(huán)境設(shè)計(jì)是分析研究環(huán)境條件對產(chǎn)品可靠性的影響，以便研究和采取有效措施，按規(guī)定環(huán)境條件設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

5.熱設(shè)計(jì)就是利用熱傳導(dǎo)、對流、輻射等原理進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的可靠性。6.簡化設(shè)計(jì)是在保證產(chǎn)品功能和保證元器件、零部件不超過應(yīng)力的情況下，簡化設(shè)計(jì)技術(shù)，提高產(chǎn)品的可靠性。

7.容差設(shè)計(jì)是指在電子電路的參數(shù)中心值一定的條件下，設(shè)計(jì)分配各參數(shù)的容差范圍，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)偏差最小的設(shè)計(jì)技術(shù)。4.環(huán)境設(shè)計(jì)是分析研究環(huán)境條件對產(chǎn)品可靠健壯設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)與FMECA（影響與危害性分析）、FTA（故障樹分析）、質(zhì)量控制、統(tǒng)計(jì)過程控制等方法結(jié)合起來配套使用的設(shè)計(jì)方法。

7.健壯設(shè)計(jì)是使系統(tǒng)性能對制造期間和使用環(huán)境的變異均不敏感；并使系統(tǒng)在其壽命周期內(nèi),元器件、組件的性能參數(shù)不發(fā)生漂移或老化，都能持續(xù)滿意地工作。健壯設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、容差設(shè)

任何電子電路在生產(chǎn)和使用過程中都不可避免地會受到各種隨機(jī)擾動因素的影響,使實(shí)際電路的元器件參數(shù)與其標(biāo)稱值之間總是存在著偏差，這就是容差。

3電子電路可靠性容差設(shè)計(jì)容差的來源主要有外部因素，內(nèi)部因素和生產(chǎn)工藝的分散性三種。外部因素主要包括：環(huán)境溫度、大氣壓強(qiáng)、外部震動、電應(yīng)力、靜電、電浪涌損傷、腐蝕等；內(nèi)部因素主要包括：本身的材料缺陷、體內(nèi)的劣化機(jī)理、蠕變3.1容差設(shè)計(jì)的基本原理任何電子電路在生產(chǎn)和使用過程中都不可避免地會受到各種等；生產(chǎn)工藝的分散性：由于制造工藝的原因，元器件參數(shù)的實(shí)際中心值通常存在著公差，而這種公差在一批元器件中是呈分布特性的。

電子電路的容差設(shè)計(jì)，是指在組成電子電路的各設(shè)計(jì)變量參數(shù)中心值一定的條件下，設(shè)計(jì)分配各參數(shù)的容差范圍，使電子電路的輸出響應(yīng)偏差最小的設(shè)計(jì)技術(shù)。

在具體分析設(shè)計(jì)過程中，電子電路容差設(shè)計(jì)包括容差分析和容差分配兩個(gè)方面。

等；生產(chǎn)工藝的分散性：由于制造工藝的原因，元器件參數(shù)的實(shí)際中

容差分配，是指將技術(shù)指標(biāo)中規(guī)定的或通過計(jì)算得到的輸出特性的允許容差分配到各相關(guān)設(shè)計(jì)變量中，為各變量的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。容差分析，是指分析各設(shè)計(jì)變量的偏差對輸出特性的影響，以此對容差分配方案進(jìn)行檢驗(yàn)。

容差設(shè)計(jì)的過程，實(shí)際上就是一個(gè)容差分析與容差分配反復(fù)配合遞推的過程，最終實(shí)現(xiàn)各參數(shù)容差的最優(yōu)配合。

容差分配，是指將技術(shù)指標(biāo)中規(guī)定的或通過計(jì)算得到的輸出R1改變時(shí)，輸出Uo發(fā)生變化。在實(shí)際產(chǎn)品中，輸出變量的值是允許在一定范圍內(nèi)波動的，比如Uo

∈（45-55V）；而元器件的價(jià)格是與精度成正比的。容差設(shè)計(jì)就是要合理設(shè)計(jì)相關(guān)元器件的容差，使輸出變量的波動在允許范圍內(nèi)，并且成本最低或滿足其他條件。R1改變時(shí)，輸出Uo發(fā)生變化。在實(shí)際產(chǎn)品中3.2容差分析方法

蒙特-卡羅分析是當(dāng)電路組成部分的參數(shù)服從某種分布時(shí)，由電路組成部分參數(shù)抽樣值來分析電路性能參數(shù)偏差的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。其基本思想是當(dāng)所求解的問題為某個(gè)時(shí)間出現(xiàn)的概率時(shí)，可以通過抽樣試驗(yàn)的方法得到這種事件出現(xiàn)的概率，把它作為問題的解。這種方法的分析結(jié)果與實(shí)際情況最為接近。

容差分析的方法通常包括蒙特-卡羅分析法、區(qū)間分析法、仿射分析法和最壞情況分析法等。3.2容差分析方法蒙特-卡羅分析是當(dāng)電路組1000個(gè)元器件隨機(jī)選取100個(gè)參數(shù)中心值確定參數(shù)中心值的分布特性分析輸出特性的中心值及分布特性1000個(gè)元器件隨機(jī)選取確定參數(shù)中心值分析輸出特性3.3容差設(shè)計(jì)的基本流程3.3容差設(shè)計(jì)的基本流程4電子電路可靠性仿真軟件由于技術(shù)體系差異等實(shí)際問題，造成當(dāng)前電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，性能設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)不能有效結(jié)合，使得產(chǎn)品研制費(fèi)用和研制周期增加。該軟件為電路設(shè)計(jì)人員開展電路性能與可靠性同步設(shè)計(jì)與分析，提供了有效的手段和工具，能夠在電路性能設(shè)計(jì)的同時(shí)，綜合分析故障、元器件參數(shù)波動等因素對系統(tǒng)可靠性的影響，有效提高可靠性分析工作效率，減少人員工作量。4電子電路可靠性仿真軟件由于技術(shù)體系差異等實(shí)際問4.1結(jié)構(gòu)框圖電路性能設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)電路性能分析優(yōu)化設(shè)計(jì)PCB設(shè)計(jì)時(shí)序檢驗(yàn)……可靠性設(shè)計(jì)可靠性預(yù)計(jì)FMEA容差分析溫度分析測試性預(yù)計(jì)……EDA工具TG-CFRSP工具數(shù)據(jù)接口控制接口4.1結(jié)構(gòu)框圖電路性能設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)電路性能分析優(yōu)化設(shè)計(jì)P性能仿真分析故障仿真分析參數(shù)靈敏度仿真分析容差仿真分析溫度仿真分析可靠性參數(shù)計(jì)算FMEA/FMECA分析測試性分析軟件工具電路管理產(chǎn)品樹電路功能樹電路圖信息電路判據(jù)電路元件信息電路結(jié)構(gòu)4.2主要功能性能仿真分析故障仿真分析參數(shù)靈敏度容差仿真分析溫度仿真分析可通過故障仿真得出器件故障對電路的影響；通過靈敏度分析找出電路中的薄弱環(huán)節(jié)；通過容差仿真評定電路的健壯性；給出電路設(shè)計(jì)的可靠性指標(biāo)；自動生成FMEA表格和測試性預(yù)計(jì)表格；通過故障仿真得出器件故障對電路的影響；產(chǎn)品樹元器件類型選擇故障模式設(shè)置4.3界面瀏覽產(chǎn)品樹元器件類型選擇故障模式設(shè)置4.3界面瀏覽故障仿真分析故障模式集合仿真任務(wù)集故障仿真分析故障模式集合仿真任務(wù)集故障判據(jù)設(shè)置故障判據(jù)設(shè)置參數(shù)靈敏度分析尋找對電路影響最顯著的元器件參數(shù)一階導(dǎo)數(shù)靈敏度法參數(shù)靈敏度分析尋找對電路影響最顯著的元器件參數(shù)一階導(dǎo)數(shù)靈敏度參數(shù)靈敏度分析尋找對電路影響最顯著的元器件參數(shù)正交試驗(yàn)靈敏度分析法參數(shù)靈敏度分析尋找對電路影響最顯著的元器件參數(shù)正交試驗(yàn)靈敏度模擬電路容差分析仿真設(shè)置分析結(jié)果模擬電路容差分析仿真設(shè)置分析結(jié)果數(shù)字電路容差分析仿真設(shè)置分析結(jié)果數(shù)字電路容差分析仿真設(shè)置分析結(jié)果可靠性參數(shù)預(yù)計(jì)和分析：平均無故障工作時(shí)間（MTBF）和致命任務(wù)間的故障時(shí)間（MTBCF）可靠度曲線失效概率分布曲線元器件基本重要度和模式重要度可靠性參數(shù)預(yù)計(jì)和分析：平均無故障工作FMEA/FMECA：該軟件提供故障模式分析和故障模式影響及危害性分析，可自動生成絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)，人工只需進(jìn)行部分修改即可。FMEA/FMECA：該軟件提供故障模式分析混合式直流接觸器是依據(jù)鐵路機(jī)車上CZO-40型接觸器的使用環(huán)境，采用電力電子器件，由邏輯控制電路控制，使機(jī)械觸頭通斷瞬間，由電子開關(guān)承擔(dān)負(fù)荷；穩(wěn)態(tài)時(shí)由機(jī)械觸頭承擔(dān)負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)無弧通斷。

5.1控制電路基本原理CZO-40型接觸器5混合式直流接觸器控制電路的容差設(shè)計(jì)混合式直流接觸器是依據(jù)鐵路機(jī)車上CZO-40型接觸器的使用環(huán)混合式直流接觸器框圖

控制電路混合式直流接觸器框圖控制電路混合式直流接觸器動作邏輯圖

接觸器線圈上電、掉電時(shí)間：Ton、Tdo接觸器吸合與釋放時(shí)間：Tcl、Tcu控制電路控制電子開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間：T1、T2、T3混合式直流接觸器動作邏輯圖接觸器線圈上電、掉電時(shí)間：To5.2控制電路組成電源轉(zhuǎn)換模塊(110V-24V)

5.2控制電路組成電源轉(zhuǎn)換模塊(110V-24V)電平檢測模塊

電平檢測模塊吸合脈沖觸發(fā)模塊

吸合脈沖觸發(fā)模塊吸合脈沖觸發(fā)模塊

吸合脈沖觸發(fā)模塊釋放脈沖觸發(fā)模塊

釋放脈沖觸發(fā)模塊釋放脈沖觸發(fā)模塊

釋放脈沖觸發(fā)模塊5.3控制電路的容差設(shè)計(jì)5.3.1選擇EDA仿真軟件脈沖觸發(fā)電路原理圖

選擇PSpice軟件進(jìn)行控制電路的容差設(shè)計(jì)。5.3控制電路的容差設(shè)計(jì)5.3.1選擇EDA仿真軟件脈5.3.2容差設(shè)計(jì)步驟5.3.2.1確定可靠性指標(biāo)和約束條件可靠性指標(biāo)：

接觸器無弧動作工作環(huán)境：-40℃～80℃電網(wǎng)電壓波動：70V～130V接觸器壽命；100萬次可靠度要求:0.99805.3.2容差設(shè)計(jì)步驟5.3.2.1確定可靠性指標(biāo)和約束混合式直流接觸器動作邏輯圖

約束條件：Ton<T1<Tcl、T2>Tcl;T3>Tcu混合式直流接觸器動作邏輯圖約束條件：Ton<T1<Tcl、5.3.2.2確定參數(shù)中心值及相關(guān)設(shè)計(jì)變量吸合時(shí)間Tcl的均值μcl=89.8689ms，標(biāo)準(zhǔn)差σcl=23.2364ms

釋放時(shí)間Tcu的均值μcu=39.2687ms，標(biāo)準(zhǔn)差σcu=20.8973ms

接觸器吸合時(shí)間Tcl分布曲線接觸器釋放時(shí)間Tcu分布曲線5.3.2.2確定參數(shù)中心值及相關(guān)設(shè)計(jì)變量吸合時(shí)間Tcl的接觸器吸合時(shí)間Tcl分布曲線接觸器釋放時(shí)間Tcu分布曲線根據(jù)Tcl和Tcu的分布規(guī)律(實(shí)測），可以確定控制電路出特性的中心值T1=45ms、T2=160ms、T3=110ms接觸器吸合時(shí)間Tcl分布曲線接觸器釋放時(shí)間Tcu分布曲線

與參數(shù)T1和T2相關(guān)的設(shè)計(jì)變量是吸合脈沖觸發(fā)模塊中的R2、C4和R3、C3。吸合脈沖觸發(fā)模塊

與參數(shù)T1和T2相關(guān)的設(shè)計(jì)變量是吸合脈沖觸發(fā)與參數(shù)T3相關(guān)的設(shè)計(jì)變量是釋放脈沖觸發(fā)模塊中的R5和C8

。釋放脈沖觸發(fā)模塊

與參數(shù)T3相關(guān)的設(shè)計(jì)變量是釋放脈沖觸發(fā)模塊中5.3.2.3控制電路的仿真控制電路的PSpice仿真原理圖電源轉(zhuǎn)換模塊(110V-24V)吸合脈沖觸發(fā)模塊釋放脈沖觸發(fā)模塊5.3.2.3控制電路的仿真控制電路的PSpice仿真原理仿真得到的各目標(biāo)輸出特性的中心值：T1=47.619ms、T2=160.61ms、T3=114.31ms理想中心值：T1=45ms、T2=160ms、T3=110ms控制電路輸出波形圖仿真得到的各目標(biāo)輸出特性的中心值：控制電路輸出波形圖仿真得到的各目標(biāo)輸出特性的中心值：T1=47.619ms、T2=160.61ms、T3=114.31ms仿真得到的各目標(biāo)輸出特性的中心值：5.3.2.4容差分析與分配釋放脈沖的蒙特卡羅分析波形取電阻R=160kΩ精度為5%；電容C=1μF精度為5%。5.3.2.4容差分析與分配釋放脈沖的蒙特卡羅分析波形取輸出特性T3的統(tǒng)計(jì)直方圖取電阻R5=160k精度為5%；電容C8=1μF精度為5%；輸出特性T3的均值μ=115.13ms標(biāo)準(zhǔn)差σ=7.37107ms

輸出特性T3的統(tǒng)計(jì)直方圖取電阻R5=160k輸出特性T3的5.3.2.5可靠度計(jì)算輸出特性T3：均值μ=115.13ms標(biāo)準(zhǔn)差σ=7.37107ms

輸出特性T3（蒙特卡羅分析）與釋放時(shí)間Tcu分布曲線(實(shí)測）。在約束條件T3>Tcu下，計(jì)算可靠度α3=0.9997。釋放時(shí)間Tcu：均值μcu=39.2687ms標(biāo)準(zhǔn)差σcu=20.8973ms

5.3.2.5可靠度計(jì)算輸出特性T3：輸出特性T35.3.2.6選擇容差分配方案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

選擇C8精度為10%、R5精度為2%的容差分配方案

5.3.2.6選擇容差分配方案R5%2%1%0.T1在不同元器件容差配合下的可靠度

T1選擇C4精度為5%、R2精度為5%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%0.99990.99990.99990.9999RC5%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%0.99840.99880.99890.9989T2在不同元器件容差配合下的可靠度

T2選擇C3精度為5%、R3精度為2%的容差分配方案

T1在不同元器件容差配合下的可靠度T1選擇C4精度為5%、5.3.2.7控制電路容差設(shè)計(jì)結(jié)果混合式直流接觸器控制電路容差設(shè)計(jì)結(jié)果

目標(biāo)參數(shù)電容精度電阻精度中心值ms（μ）容差ms（σ）技術(shù)指標(biāo)ms可靠度α可靠度指標(biāo)T15%5%48.18283.11116<89.86890.99990.9980T25%2%161.5167.64489>89.86890.99830.9980T310%2%115.26112.3094>39.29870.99920.99805.3.2.7控制電路容差設(shè)計(jì)結(jié)果混合式直流接觸器控制電容差設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品可靠性的一個(gè)重要方法。通過容差設(shè)計(jì)，確定了混合式直流接觸器控制電路中各關(guān)鍵參數(shù)的精度，使接觸器在各種給定條件下均能達(dá)到可靠度要求；利用了EDA仿真軟件PSpice，不僅減輕了電路建模的工作量，并且避免了蒙特-卡羅分析的繁雜運(yùn)算；由于PSpice軟件中的元器件模型比較理想化，所以建立的電路模型與實(shí)際電路特性相差比較大。對小型電路進(jìn)行容差設(shè)計(jì)，尚可以根據(jù)計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)對電路模型進(jìn)行修改；若要建立較復(fù)雜電路的精確模型，難度還比較大。5.3.2.7結(jié)論容差設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品可靠性的一個(gè)重要方法。通過容差設(shè)計(jì)，確定了THEENDTHEEND電子電路可靠性設(shè)計(jì)王淑娟2007.6.27電子電路可靠性設(shè)計(jì)王淑娟1可靠性基本概念2可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)3電子電路可靠性容差設(shè)計(jì)4電子電路可靠性仿真軟件混合式直流接觸器控制電路容差

設(shè)計(jì)主要內(nèi)容1可靠性基本概念主要內(nèi)容

產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。1可靠性基本概念

可靠性工程是為了達(dá)到產(chǎn)品可靠性要求而進(jìn)行的有關(guān)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和生產(chǎn)等一系列工作的總和。產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完可靠性設(shè)計(jì)是一種有約束的目標(biāo)最優(yōu)化問題，是在費(fèi)用、性能等約束條件下，為設(shè)計(jì)出滿足可靠性要求的產(chǎn)品而進(jìn)行的一系列設(shè)計(jì)程序，包括：元器件、零部件的選擇與控制、降額設(shè)計(jì)、簡化設(shè)計(jì)、余度設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)和健壯設(shè)計(jì)等。多年來世界各國開展可靠性工作的經(jīng)驗(yàn)證明：產(chǎn)品不可靠的原因中，設(shè)計(jì)占80%?？煽啃怨こ痰闹攸c(diǎn)在設(shè)計(jì)階段。2可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)可靠性設(shè)計(jì)是一種有約束的目標(biāo)最優(yōu)化問題，是在費(fèi)用、性1.元器件、零部件的選擇與控制需要綜合考慮產(chǎn)品的任務(wù)，以及元器件的生產(chǎn)、維修、供應(yīng)及標(biāo)準(zhǔn)化等各種因素。2.降額設(shè)計(jì)是使元器件或設(shè)備工作時(shí)承受的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷蛟O(shè)備規(guī)定的額定值，從而達(dá)到降低故障率，提高使用可靠性的目的。

3.余度設(shè)計(jì)就是用一套以上的設(shè)備來完成規(guī)定任務(wù)的設(shè)計(jì)，特別是當(dāng)基礎(chǔ)元器件、零部件質(zhì)量與可靠性水平較低，采用一般設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足設(shè)備的可靠性要求時(shí)，余度設(shè)計(jì)就具有重要的應(yīng)用價(jià)值。1.元器件、零部件的選擇與控制需要綜合考慮4.環(huán)境設(shè)計(jì)是分析研究環(huán)境條件對產(chǎn)品可靠性的影響，以便研究和采取有效措施，按規(guī)定環(huán)境條件設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

5.熱設(shè)計(jì)就是利用熱傳導(dǎo)、對流、輻射等原理進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的可靠性。6.簡化設(shè)計(jì)是在保證產(chǎn)品功能和保證元器件、零部件不超過應(yīng)力的情況下，簡化設(shè)計(jì)技術(shù)，提高產(chǎn)品的可靠性。

7.容差設(shè)計(jì)是指在電子電路的參數(shù)中心值一定的條件下，設(shè)計(jì)分配各參數(shù)的容差范圍，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)偏差最小的設(shè)計(jì)技術(shù)。4.環(huán)境設(shè)計(jì)是分析研究環(huán)境條件對產(chǎn)品可靠健壯設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)與FMECA（影響與危害性分析）、FTA（故障樹分析）、質(zhì)量控制、統(tǒng)計(jì)過程控制等方法結(jié)合起來配套使用的設(shè)計(jì)方法。

7.健壯設(shè)計(jì)是使系統(tǒng)性能對制造期間和使用環(huán)境的變異均不敏感；并使系統(tǒng)在其壽命周期內(nèi),元器件、組件的性能參數(shù)不發(fā)生漂移或老化，都能持續(xù)滿意地工作。健壯設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、容差設(shè)

任何電子電路在生產(chǎn)和使用過程中都不可避免地會受到各種隨機(jī)擾動因素的影響,使實(shí)際電路的元器件參數(shù)與其標(biāo)稱值之間總是存在著偏差，這就是容差。

3電子電路可靠性容差設(shè)計(jì)容差的來源主要有外部因素，內(nèi)部因素和生產(chǎn)工藝的分散性三種。外部因素主要包括：環(huán)境溫度、大氣壓強(qiáng)、外部震動、電應(yīng)力、靜電、電浪涌損傷、腐蝕等；內(nèi)部因素主要包括：本身的材料缺陷、體內(nèi)的劣化機(jī)理、蠕變3.1容差設(shè)計(jì)的基本原理任何電子電路在生產(chǎn)和使用過程中都不可避免地會受到各種等；生產(chǎn)工藝的分散性：由于制造工藝的原因，元器件參數(shù)的實(shí)際中心值通常存在著公差，而這種公差在一批元器件中是呈分布特性的。

電子電路的容差設(shè)計(jì)，是指在組成電子電路的各設(shè)計(jì)變量參數(shù)中心值一定的條件下，設(shè)計(jì)分配各參數(shù)的容差范圍，使電子電路的輸出響應(yīng)偏差最小的設(shè)計(jì)技術(shù)。

在具體分析設(shè)計(jì)過程中，電子電路容差設(shè)計(jì)包括容差分析和容差分配兩個(gè)方面。

等；生產(chǎn)工藝的分散性：由于制造工藝的原因，元器件參數(shù)的實(shí)際中

容差分配，是指將技術(shù)指標(biāo)中規(guī)定的或通過計(jì)算得到的輸出特性的允許容差分配到各相關(guān)設(shè)計(jì)變量中，為各變量的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。容差分析，是指分析各設(shè)計(jì)變量的偏差對輸出特性的影響，以此對容差分配方案進(jìn)行檢驗(yàn)。

容差設(shè)計(jì)的過程，實(shí)際上就是一個(gè)容差分析與容差分配反復(fù)配合遞推的過程，最終實(shí)現(xiàn)各參數(shù)容差的最優(yōu)配合。

容差分配，是指將技術(shù)指標(biāo)中規(guī)定的或通過計(jì)算得到的輸出R1改變時(shí)，輸出Uo發(fā)生變化。在實(shí)際產(chǎn)品中，輸出變量的值是允許在一定范圍內(nèi)波動的，比如Uo

∈（45-55V）；而元器件的價(jià)格是與精度成正比的。容差設(shè)計(jì)就是要合理設(shè)計(jì)相關(guān)元器件的容差，使輸出變量的波動在允許范圍內(nèi)，并且成本最低或滿足其他條件。R1改變時(shí)，輸出Uo發(fā)生變化。在實(shí)際產(chǎn)品中3.2容差分析方法

蒙特-卡羅分析是當(dāng)電路組成部分的參數(shù)服從某種分布時(shí)，由電路組成部分參數(shù)抽樣值來分析電路性能參數(shù)偏差的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。其基本思想是當(dāng)所求解的問題為某個(gè)時(shí)間出現(xiàn)的概率時(shí)，可以通過抽樣試驗(yàn)的方法得到這種事件出現(xiàn)的概率，把它作為問題的解。這種方法的分析結(jié)果與實(shí)際情況最為接近。

容差分析的方法通常包括蒙特-卡羅分析法、區(qū)間分析法、仿射分析法和最壞情況分析法等。3.2容差分析方法蒙特-卡羅分析是當(dāng)電路組1000個(gè)元器件隨機(jī)選取100個(gè)參數(shù)中心值確定參數(shù)中心值的分布特性分析輸出特性的中心值及分布特性1000個(gè)元器件隨機(jī)選取確定參數(shù)中心值分析輸出特性3.3容差設(shè)計(jì)的基本流程3.3容差設(shè)計(jì)的基本流程4電子電路可靠性仿真軟件由于技術(shù)體系差異等實(shí)際問題，造成當(dāng)前電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，性能設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)不能有效結(jié)合，使得產(chǎn)品研制費(fèi)用和研制周期增加。該軟件為電路設(shè)計(jì)人員開展電路性能與可靠性同步設(shè)計(jì)與分析，提供了有效的手段和工具，能夠在電路性能設(shè)計(jì)的同時(shí)，綜合分析故障、元器件參數(shù)波動等因素對系統(tǒng)可靠性的影響，有效提高可靠性分析工作效率，減少人員工作量。4電子電路可靠性仿真軟件由于技術(shù)體系差異等實(shí)際問4.1結(jié)構(gòu)框圖電路性能設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)電路性能分析優(yōu)化設(shè)計(jì)PCB設(shè)計(jì)時(shí)序檢驗(yàn)……可靠性設(shè)計(jì)可靠性預(yù)計(jì)FMEA容差分析溫度分析測試性預(yù)計(jì)……EDA工具TG-CFRSP工具數(shù)據(jù)接口控制接口4.1結(jié)構(gòu)框圖電路性能設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)電路性能分析優(yōu)化設(shè)計(jì)P性能仿真分析故障仿真分析參數(shù)靈敏度仿真分析容差仿真分析溫度仿真分析可靠性參數(shù)計(jì)算FMEA/FMECA分析測試性分析軟件工具電路管理產(chǎn)品樹電路功能樹電路圖信息電路判據(jù)電路元件信息電路結(jié)構(gòu)4.2主要功能性能仿真分析故障仿真分析參數(shù)靈敏度容差仿真分析溫度仿真分析可通過故障仿真得出器件故障對電路的影響；通過靈敏度分析找出電路中的薄弱環(huán)節(jié)；通過容差仿真評定電路的健壯性；給出電路設(shè)計(jì)的可靠性指標(biāo)；自動生成FMEA表格和測試性預(yù)計(jì)表格；通過故障仿真得出器件故障對電路的影響；產(chǎn)品樹元器件類型選擇故障模式設(shè)置4.3界面瀏覽產(chǎn)品樹元器件類型選擇故障模式設(shè)置4.3界面瀏覽故障仿真分析故障模式集合仿真任務(wù)集故障仿真分析故障模式集合仿真任務(wù)集故障判據(jù)設(shè)置故障判據(jù)設(shè)置參數(shù)靈敏度分析尋找對電路影響最顯著的元器件參數(shù)一階導(dǎo)數(shù)靈敏度法參數(shù)靈敏度分析尋找對電路影響最顯著的元器件參數(shù)一階導(dǎo)數(shù)靈敏度參數(shù)靈敏度分析尋找對電路影響最顯著的元器件參數(shù)正交試驗(yàn)靈敏度分析法參數(shù)靈敏度分析尋找對電路影響最顯著的元器件參數(shù)正交試驗(yàn)靈敏度模擬電路容差分析仿真設(shè)置分析結(jié)果模擬電路容差分析仿真設(shè)置分析結(jié)果數(shù)字電路容差分析仿真設(shè)置分析結(jié)果數(shù)字電路容差分析仿真設(shè)置分析結(jié)果可靠性參數(shù)預(yù)計(jì)和分析：平均無故障工作時(shí)間（MTBF）和致命任務(wù)間的故障時(shí)間（MTBCF）可靠度曲線失效概率分布曲線元器件基本重要度和模式重要度可靠性參數(shù)預(yù)計(jì)和分析：平均無故障工作FMEA/FMECA：該軟件提供故障模式分析和故障模式影響及危害性分析，可自動生成絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)，人工只需進(jìn)行部分修改即可。FMEA/FMECA：該軟件提供故障模式分析混合式直流接觸器是依據(jù)鐵路機(jī)車上CZO-40型接觸器的使用環(huán)境，采用電力電子器件，由邏輯控制電路控制，使機(jī)械觸頭通斷瞬間，由電子開關(guān)承擔(dān)負(fù)荷；穩(wěn)態(tài)時(shí)由機(jī)械觸頭承擔(dān)負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)無弧通斷。

5.1控制電路基本原理CZO-40型接觸器5混合式直流接觸器控制電路的容差設(shè)計(jì)混合式直流接觸器是依據(jù)鐵路機(jī)車上CZO-40型接觸器的使用環(huán)混合式直流接觸器框圖

控制電路混合式直流接觸器框圖控制電路混合式直流接觸器動作邏輯圖

接觸器線圈上電、掉電時(shí)間：Ton、Tdo接觸器吸合與釋放時(shí)間：Tcl、Tcu控制電路控制電子開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間：T1、T2、T3混合式直流接觸器動作邏輯圖接觸器線圈上電、掉電時(shí)間：To5.2控制電路組成電源轉(zhuǎn)換模塊(110V-24V)

5.2控制電路組成電源轉(zhuǎn)換模塊(110V-24V)電平檢測模塊

電平檢測模塊吸合脈沖觸發(fā)模塊

吸合脈沖觸發(fā)模塊吸合脈沖觸發(fā)模塊

吸合脈沖觸發(fā)模塊釋放脈沖觸發(fā)模塊

釋放脈沖觸發(fā)模塊釋放脈沖觸發(fā)模塊

釋放脈沖觸發(fā)模塊5.3控制電路的容差設(shè)計(jì)5.3.1選擇EDA仿真軟件脈沖觸發(fā)電路原理圖

選擇PSpice軟件進(jìn)行控制電路的容差設(shè)計(jì)。5.3控制電路的容差設(shè)計(jì)5.3.1選擇EDA仿真軟件脈5.3.2容差設(shè)計(jì)步驟5.3.2.1確定可靠性指標(biāo)和約束條件可靠性指標(biāo)：

接觸器無弧動作工作環(huán)境：-40℃～80℃電網(wǎng)電壓波動：70V～130V接觸器壽命；100萬次可靠度要求:0.99805.3.2容差設(shè)計(jì)步驟5.3.2.1確定可靠性指標(biāo)和約束混合式直流接觸器動作邏輯圖

約束條件：Ton<T1<Tcl、T2>Tcl;T3>Tcu混合式直流接觸器動作邏輯圖約束條件：Ton<T1<Tcl、5.3.2.2確定參數(shù)中心值及相關(guān)設(shè)計(jì)變量吸合時(shí)間Tcl的均值μcl=89.8689ms，標(biāo)準(zhǔn)差σcl=23.2364ms

釋放時(shí)間Tcu的均值μcu=39.2687ms，標(biāo)準(zhǔn)差σcu=20.8973ms

接觸器吸合時(shí)間Tcl分布曲線接觸器釋放時(shí)間Tcu分布曲線5.3.2.2確定參數(shù)中心值及相關(guān)設(shè)計(jì)變量吸合時(shí)間Tcl的接觸器吸合時(shí)間Tcl分布曲線接觸器釋放時(shí)間Tcu分布曲線根據(jù)Tcl和Tcu的分布規(guī)律(實(shí)測），可以確定控制電路出特性的中心值T1=45ms、T2=160ms、T3=110ms接觸器吸合時(shí)間Tcl分布曲線接觸器釋放時(shí)間Tcu分布曲線

與參數(shù)T1和T2相關(guān)的設(shè)計(jì)變量是吸合脈沖觸發(fā)模塊中的R2、C4和R3、C3。吸合脈沖觸發(fā)模塊

與參數(shù)T1和T2相關(guān)的設(shè)計(jì)變量是吸合脈沖觸發(fā)與參數(shù)T3相關(guān)的設(shè)計(jì)變量是釋放脈沖觸發(fā)模塊中的R5和C8

。釋放脈沖觸發(fā)模塊

與參數(shù)T3相關(guān)的設(shè)計(jì)變量是釋放脈沖觸發(fā)模塊中5.3.2.3控制電路的仿真控制電路的PSpice仿真原理圖電源轉(zhuǎn)換模塊(110V-24V)吸合脈沖觸發(fā)模塊釋放脈沖觸發(fā)模塊5.3.2.3控制電路的仿真控制電路的PSpice仿真原理仿真得到的各目標(biāo)輸出特性的中心值：T1=47.619ms、T2=160.61ms、T3=114.31ms理想中心值：T1=45ms、T2=160ms、T3=110ms控制電路輸出波形圖仿真得到的各目標(biāo)輸出特性的中心值：控制電路輸出波形圖仿真得到的各目標(biāo)輸出特性的中心值：T1=47.619ms、T2=160.61ms、T3=114.31ms仿真得到的各目標(biāo)輸出特性的中心值：5.3.2.4容差分析與分配釋放脈沖的蒙特卡羅分析波形取電阻R=160kΩ精度為5%；電容C=1μF精度為5%。5.3.2.4容差分析與分配釋放脈沖的蒙特卡羅分析波形取輸出特性T3的統(tǒng)計(jì)直方圖取電阻R5=160k精度為5%；電容C8=1μF精度為5%；輸出特性T3的均值μ=115.13ms標(biāo)準(zhǔn)差σ=7.37107ms

輸出特性T3的統(tǒng)計(jì)直方圖取電阻R5=160k輸出特性T3的5.3.2.5可靠度計(jì)算輸出特性T3：均值μ=115.13ms標(biāo)準(zhǔn)差σ=7.37107ms

輸出特性T3（蒙特卡羅分析）與釋放時(shí)間Tcu分布曲線(實(shí)測）。在約束條件T3>Tcu下，計(jì)算可靠度α3=0.9997。釋放時(shí)間Tcu：均值μcu=39.2687ms標(biāo)