可靠性工程技術(shù)在用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、可靠性工程技術(shù)在用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用張?jiān)稣?, 謝少鋒 , 焦志鋒 (信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所 , 廣東廣州510610摘 要 :EuP 指令將對(duì)全球整個(gè)電子信息行業(yè)產(chǎn)生革命性的影響 , 它強(qiáng)調(diào)對(duì)環(huán)境影響的設(shè)計(jì) , 特別是產(chǎn)品最小壽命 、 MTBF 、 待機(jī)能耗的設(shè)計(jì) ; 要保證產(chǎn)品符合生態(tài)設(shè)計(jì)的要求 , 必須重視產(chǎn)品功耗的控制 , 對(duì)產(chǎn)品最小壽命 進(jìn)行設(shè)計(jì) 、 預(yù)計(jì) 、 分析 、 評(píng)價(jià) , 應(yīng)抓緊可靠性工程技術(shù)在企業(yè)的推廣應(yīng)用工作 。 將可靠性工程技術(shù)應(yīng)用于生態(tài) 設(shè)計(jì) , 必須認(rèn)真分析和權(quán)衡 , 充分理解可靠性設(shè)計(jì)和生態(tài)設(shè)計(jì)內(nèi)涵的一致性 , 合理利用 , 使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)達(dá)到最 佳化 。 另

2、外還列舉了在生態(tài)設(shè)計(jì)中應(yīng)如何采用可靠性指標(biāo)分析 , 預(yù)計(jì) , 降額設(shè)計(jì) 、 熱設(shè)計(jì) 、 電路簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)等可 靠性工程技術(shù)的方法 。關(guān)鍵詞 :可靠性工程技術(shù) ; 用能產(chǎn)品 ; 生態(tài)設(shè)計(jì) ; 最小壽命 ; 平均無(wú)故障時(shí)間 ; 預(yù)計(jì) ; 降額 中圖分類(lèi)號(hào) :TB114.3; T-651文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :1672-5468(2008 02-0001-06Application of Reliability Engineering Technology toEco-design of Energy Using ProductsZHANG Zeng-zhao , XIE Shao-feng , J

3、IAO Zhi-feng(CEPREI , Guangzhou 510610, China Abstract :The Eup directive will create revolutionary impact on the international electronic infor-mation industry. With the emphasis on the impact of a design on the enviroment , especially the minimal lifetime , MTBF and the stand-by power consumption

4、, the reliability engineering tech-niques should be promoted in the industry to ensure satisfying the requirements of eco-design and controling of the power consumption. The application of the reliability and controling of the power consumption. The application of the reliability engineering to the

5、eco-design should be based on the full understanding of the consistent meanings between the reliability design and the eco-design to ensure achieving the optimized design. How to use the reliability engineering techniques such as reliability analysis , prediction , derating , thermal design and circ

6、uit simplifying in the eco-design are also presented.Key words :reliability engneering technology ; energy-using products ; eco-design ; minimallifetime ; MTBF ; prediction ; derating收稿日期 :2007-10-30作者簡(jiǎn)介 :張?jiān)稣?(1964- , 男 , 山東青島人 , 信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所科技處副處長(zhǎng) , 高級(jí)工程師 , 碩士 , 主要從事可靠性預(yù)計(jì) 、1引言繼 關(guān)于報(bào)廢電子電器設(shè)備指令 (WEEE 和

7、 關(guān)于在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì) 指令 (ROHS 兩大歐盟環(huán)保指令之后 , 2005年7月 6日 , 歐洲議會(huì)和歐盟理事會(huì)又通過(guò)了編號(hào)為 2005/32/EC 的 指 令 , 即 Establishing a Framework for the Setting of Eco-design Requirements for Ener-gy-using Products 用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)框架指令 , 1 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn) 2008年簡(jiǎn)稱(chēng)為 EuP 指 令 。 該 指 令 要 求 自 2007年 8月 11日起 , 各個(gè)歐共體成員國(guó)都要制定相應(yīng)的法律法規(guī) 對(duì)所有用能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)從環(huán)

8、保和節(jié)能降耗方面做出 規(guī)范并實(shí)施 。指令要求通過(guò)生態(tài)設(shè)計(jì)手段 , 達(dá)到用能產(chǎn)品在 其整個(gè)生命周期中的節(jié)能降耗的目的 ; 凡是不能滿(mǎn) 足環(huán)保節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品都不允許投放市場(chǎng)和投入使 用 , 這將對(duì)全球電子信息行業(yè)產(chǎn)生革命性的影響 , 并全面改變現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理念 。要積極應(yīng)對(duì) EuP 指令 , 必須保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)符 合生態(tài)設(shè)計(jì)的要求 , 實(shí)際上 , 重要的是如何控制產(chǎn) 品的功耗 , 如何設(shè)計(jì) 、 預(yù)計(jì) 、 分析 、 評(píng)價(jià)產(chǎn)品的最 小壽命 。本文從生態(tài)設(shè)計(jì)的要求出發(fā) , 分析了可靠性工 程技術(shù)在生態(tài)設(shè)計(jì)中的作用 , 探討了在生態(tài)設(shè)計(jì)中 如何利用可靠性工程技術(shù) , 并舉例說(shuō)明了可靠性指 標(biāo)分析 , 預(yù)計(jì) ,

9、 降額設(shè)計(jì) 、 熱設(shè)計(jì) 、 電路簡(jiǎn)化設(shè)計(jì) 等可靠性工程技術(shù)在生態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 。2EuP 的要求與影響EuP 指令考慮了產(chǎn)品在整個(gè)壽命周期內(nèi)對(duì)資源 能量的消耗和對(duì)環(huán)境的影響 , 對(duì)于一個(gè)電子產(chǎn)品 , 自研發(fā)階段開(kāi)始 , 從原材料的獲取 , 到產(chǎn)品的制造 (涉及到 RoHs 指令 , 以及后來(lái)的使用 , 直到最后 的報(bào)廢 、 丟棄及回收再利用階段 (涉及 WEEE 指 令 , 都囊括在該指令的范圍內(nèi) 。 但當(dāng)前的 RoHs 指令和 WEEE 指令應(yīng)對(duì)策略不包括產(chǎn)品工作的耗 能 (功耗 控制和產(chǎn)品最小壽命設(shè)計(jì) 。 而這些設(shè)計(jì) 在 EuP 指令中是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié) , 它將對(duì)產(chǎn)品 能否符合 EuP

10、指令產(chǎn)生重要的影響 。EuP 指令對(duì)我國(guó)電子信息行業(yè)的影響非常大 , 甚至?xí)斐梢恍┘夹g(shù)相對(duì)落后 、 應(yīng)對(duì)不足的企業(yè)退 出歐盟市場(chǎng) 。 主要影響有以下幾個(gè)方面 :a EuP 指令所涉及的產(chǎn)品范圍非常廣泛 。 該 指 令 涵 蓋 了 所 有 投 放 市 場(chǎng) /投 入 使 用 的 用 能 產(chǎn) 品 (包括電能 、 固體液體氣體燃料 , 生成 、 轉(zhuǎn)換及計(jì) 量這些能源的產(chǎn)品 (不包括運(yùn)輸工具 , 也包括整 合入 EuP 終端用途的單獨(dú)銷(xiāo)售的零組件 。 而電子 信息產(chǎn)品幾乎都是用能產(chǎn)品 , 其中在指令中提到 的 、 在減少溫室氣體排放方面潛力大的產(chǎn)品 , 如供 熱和熱水設(shè)備 、 電機(jī)系統(tǒng) 、 家庭和第三

11、產(chǎn)業(yè)用的燈 具 、 家用電器 、 家庭和第三產(chǎn)業(yè)用的辦公設(shè)備 、 消 費(fèi)電子系統(tǒng)和 HVAC (熱通風(fēng)空調(diào) 系統(tǒng)將可能首 先受到控制和影響 。b 在歐盟進(jìn)口電子信息產(chǎn)品中 , 估計(jì)大約有 80%來(lái)自中國(guó) , 這將對(duì)我國(guó)電子信息產(chǎn)品形成新 的環(huán)保技術(shù)壁壘 。 指令將明顯地增加產(chǎn)品成本 , 包 括材料成本 、 設(shè)計(jì)制造成本以及回收處理成本 。 對(duì) 于普遍薄利的電子信息行業(yè)企業(yè)而言 , 企業(yè)的盈利 能力將大受影響 。c 對(duì)整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)而言 , EuP 指令應(yīng)該 是一場(chǎng)新的 “ 產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)革命 ” , 它第一次在產(chǎn)品設(shè) 計(jì) 中 引 進(jìn) 了 全 生 命 周 期 理 念 和 生 態(tài) 設(shè) 計(jì) 的 理 念

12、, 顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 , 即設(shè)計(jì)不僅關(guān)注產(chǎn)品性能 等質(zhì)量指標(biāo) , 也必須關(guān)注產(chǎn)品全壽命的環(huán)境影響 指標(biāo) 。d EuP 指 令 應(yīng) 該 說(shuō) 整 體 上 覆 蓋 了 RoH S 、 WEEE 指令的要求 。 其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在 :1 對(duì)各類(lèi)用能產(chǎn)品整個(gè)生命周期的環(huán)境性能 進(jìn)行了要求 , 包括了有害物質(zhì)的引進(jìn) 、 設(shè)計(jì) 、 制 造 、 使用 、 維護(hù)以及廢棄回收 ;2 在設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)了環(huán)境性能的設(shè)計(jì) , 不但控 制引進(jìn)有害物質(zhì) , 滿(mǎn)足產(chǎn)品特有的功能 , 還必須滿(mǎn) 足必要的環(huán)境性能指標(biāo) :如體積重量 、 回收材料的 使 用 、 產(chǎn) 品 最 小 壽 命 、 部 件 平 均 無(wú) 故 障 時(shí) 間 (MTBF

13、 、 待機(jī)能耗 ;3 對(duì)用能產(chǎn)品要求建立生態(tài)學(xué)檔案等各類(lèi)技 術(shù)資料 , 包括對(duì)與貫穿整個(gè)生命周期相關(guān)聯(lián)的輸入 和輸出 (如材料 、 排放和廢物 的記述 、 合格聲明 與標(biāo)識(shí) 、 提供給消費(fèi)者的信息 、 合格評(píng)定的信息 等 。從 EuP 指令的要求與影響可以看到 , 產(chǎn)品的 壽命和耗能同指令的要求是密切相關(guān)的 , 在生態(tài)設(shè) 計(jì)中必須認(rèn)真預(yù)計(jì) , 嚴(yán)格控制 、 評(píng)價(jià) 、 分析產(chǎn)品的 最小壽命和功耗 , 而這正是可靠性工程技術(shù)所涵蓋 的內(nèi)容 。3可靠性工程技術(shù)在 EuP 生 態(tài) 設(shè) 計(jì) 的作用3.1可靠性工程技術(shù)是開(kāi)展 EuP 生態(tài)設(shè)計(jì)的重要 技術(shù)手段可靠性工程技術(shù)是從產(chǎn)品的整體及其同外界環(huán) 境的辯

14、證關(guān)系出發(fā) , 用實(shí)驗(yàn)研究 、 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查 、 故障 或維修活動(dòng)分析等技術(shù)方法 , 研究產(chǎn)品壽命和可靠 性與外界環(huán)境的相互關(guān)系 , 研究產(chǎn)品故障的發(fā)生 、2CHANPIN YUYU SHIYAN第 2期發(fā)展及其預(yù)防和維修 、 保障直至消滅的規(guī)律 , 以及 增進(jìn)可靠性 、 延長(zhǎng)壽命和提高效能的一系列技術(shù)和 管理活動(dòng) 。可靠性工程技術(shù)是貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì) 、 生產(chǎn) 、 使 用 、 報(bào)廢的全壽命周期的工程化方法和技術(shù) , 它是 各門(mén)工程專(zhuān)業(yè)的綜合 。 可靠性工程強(qiáng)調(diào)全員參與 、 全過(guò)程管理控制 , 它用可以量化的目標(biāo) (效能 、 壽 命 、 任務(wù)成功性 、 壽命周期費(fèi)用等 , 進(jìn)行綜合權(quán) 衡與優(yōu)化 , 在

15、設(shè)計(jì) 、 管理和試驗(yàn)中擇優(yōu) 。 其目標(biāo)是 “ 提高產(chǎn)品效能 , 降低壽命周期費(fèi)用 ” , 這同 EuP 的要求一致 。一般而言 , 產(chǎn)品工作狀態(tài)耗能低 , 其可靠性要 比同類(lèi)高耗能的產(chǎn)品高 ; 可靠性高的產(chǎn)品 , 壽命期 內(nèi)其故障少 , 報(bào)廢少 , 資源消耗少 , 維修維護(hù)費(fèi)用 也會(huì)低很多 。 因此 , 產(chǎn)品工作耗能指標(biāo)和的壽命指 標(biāo)是生態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一 。3.2要使產(chǎn)品達(dá)到 EuP 指令的要求 , 應(yīng)加快可靠性工程技術(shù)在企業(yè)的推廣應(yīng)用步伐可靠性工程的發(fā)展有 60年的歷史了 , 在中國(guó) 的應(yīng)用也有 50年歷史 (以中國(guó)亞熱帶電信器材試 驗(yàn)站建站始計(jì) , 真正引起企業(yè)重視是近 20年的 事 ,

16、 但在民用產(chǎn)品方面 , 對(duì)可靠性工程技術(shù)的應(yīng)用 和普及卻十分薄弱 , 除少數(shù)的大型企業(yè)建立了完善 的可靠性技術(shù)體系外 , 其它企業(yè)和技術(shù)人員卻了解 不夠 。要使產(chǎn)品達(dá)到 EuP 指令的要求 , 最小保證壽 命是必須要考慮并要達(dá)到要求的 。 但我國(guó)產(chǎn)品的可 靠性水平同其它國(guó)家相比 , 差距很大 , 迫切需要提 升 , 例如 :有文獻(xiàn)指出 , 美國(guó)的康明斯 、 卡勃彼特 柴油機(jī) , 大修期為 12000h , 而我國(guó)的柴油機(jī)不過(guò)1000h , 有的甚至幾十小時(shí) 、 幾百小時(shí)就出現(xiàn)故障 。 我國(guó)生產(chǎn)的電梯 , 平均使用壽命 (指兩次大修 期的間隔時(shí)期 為 3年左右 , 而國(guó)外的電梯平均壽 命在 10

17、年以上 , 是我們的 3倍 ; 故障率 , 國(guó)外平 均為 0.05次 , 而我國(guó)為 1次以上 , 高出 20倍 。 日 本的汽車(chē) 、 家用電器等產(chǎn)品 , 雖然在性能 、 價(jià)格方 面與我國(guó)彼此相仿 , 卻能占領(lǐng)美國(guó)以及國(guó)際市場(chǎng) , 主要的原因就是日本的產(chǎn)品可靠性勝過(guò)我國(guó)一籌 。 這些低可靠性水平的產(chǎn)品 , 不僅沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力 , 也造 成大量的資源和成本浪費(fèi) , 在應(yīng)對(duì) EuP 指令的過(guò) 程中 , 必然受制于人 。3.3辯證地認(rèn)識(shí)可靠性工程技術(shù)在 EuP 中的作用 ,合理地應(yīng)用可靠性工程技術(shù)有一種觀點(diǎn)認(rèn)為 , 可靠性要求同 EuP 的要求 是矛盾的 , 這是因?yàn)?, 高可靠性的產(chǎn)品意味著高消 耗 ,

18、 高成本 , 例如 :降額設(shè)計(jì)可以延長(zhǎng)壽命 , 但會(huì) 增加資源消耗 。 事實(shí)上 , 這僅僅看到可靠性技術(shù)的 一個(gè)方面 , 正像傳統(tǒng)觀念認(rèn)為 “ 高質(zhì)量的產(chǎn)品成本 高 ” 一樣 , 然而事實(shí)證明卻是否定的 ?？煽啃约夹g(shù)始終堅(jiān)持在同等性能情況下 , 充分 權(quán)衡可靠性 、 性能 、 經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo) , 采取各種方法 來(lái)確保產(chǎn)品低成本 、 小體積 、 長(zhǎng)壽命 。 例如 :在降 額設(shè)計(jì)中 , 如果采用降低工作應(yīng)力的方式 , 既可延 長(zhǎng)壽命又可降低功耗還不增加資源消耗 , 完全符合EuP 指令的思想 。因此 , 將可靠性工程技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)設(shè)計(jì) , 必 須認(rèn)真分析和權(quán)衡 , 充分理解可靠性設(shè)計(jì)和生態(tài)設(shè) 計(jì)內(nèi)涵

19、的一致性 , 合理利用 , 使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)達(dá)到最 佳化 。可靠性工程技術(shù)是達(dá)到 EuP 生態(tài)設(shè)計(jì)要求的 技術(shù)手段和途徑之一 , 可靠性工程設(shè)計(jì)技術(shù)和管理 技術(shù) , 可應(yīng)用于 EuP 設(shè)計(jì)和管理 。 另一方面 , EuP 生態(tài)設(shè)計(jì)要求 (特別是最小壽命和耗能要求 必將 推動(dòng)電子信息企業(yè)重視和應(yīng)用可靠性技術(shù) 。4可靠性工程技術(shù)在生態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用舉例一般而言 , 產(chǎn)品工作狀態(tài)耗能低 , 其可靠性要比同類(lèi)高耗能的產(chǎn)品高 ; 可靠性高的產(chǎn)品 , 壽命期 內(nèi)其故障少 , 報(bào)廢少 , 資源消耗少 , 維修維護(hù)費(fèi)用 也會(huì)低很多 。 因此 , 產(chǎn)品工作耗能指標(biāo)和壽命指標(biāo) 是生態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一 。 在生態(tài)設(shè)計(jì)中

20、, 同可靠 性設(shè)計(jì)直接相關(guān)的有產(chǎn)品的最小壽命 、 零件的最短 使用時(shí)間 、 可維護(hù)性 、 工作的耗能等 。4.1最小壽命指標(biāo)的選擇EuP 指令強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的最小壽命 , 零件的最短使用時(shí)間 (MTBF , 這實(shí)際上就是可靠性指標(biāo)的另一 種表述 。產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)常常用可靠度 (R 、 平均 無(wú)故障工作時(shí)間 (MTBF 、 平均故障前工作時(shí) 間 (MTTF 、 B10(BX 等參數(shù)來(lái)描述 , 其中可靠度 表達(dá)了產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi) 、 在規(guī)定的條件下完成規(guī)張?jiān)稣盏?:可靠性工程技術(shù)在用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用3電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn) 2008年定功能的概率 , 例如 :某產(chǎn)品在 20000h 內(nèi)的可 靠

21、度為 0.95, 表示該產(chǎn)品能夠在 20000h 內(nèi)不發(fā) 生功能性故障的可能性為 95%, 描述起來(lái)有一些 復(fù) 雜 ; 而 MTBF 和 MTTF 表 達(dá) 起 來(lái) 就 簡(jiǎn) 單 多 了 , 例如 :某產(chǎn)品的 MTBF 為 20000h , 表示該產(chǎn)品平 均每 20000h 出現(xiàn)一次故障 (統(tǒng)計(jì)平均 。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品來(lái)說(shuō) , 可靠度是一個(gè)合適的可 靠性參數(shù) , 對(duì)于設(shè)備級(jí)產(chǎn)品來(lái)說(shuō) , MTBF 和 MTTF 更容易表達(dá) , 也更為常用 。 MTBF 和 MTTF 描述了 產(chǎn)品在規(guī)定任務(wù)時(shí)間內(nèi)的故障強(qiáng)度 , 但是有以下的 不足 :a 比較適合描述壽命分布形式為指數(shù)分布的 產(chǎn)品的可靠性 , 例如 :電

22、子類(lèi)的產(chǎn)品 ; 不太適合描 述壽命分布形式為非指數(shù)分布的產(chǎn)品的可靠性 , 例 如 :機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)類(lèi)產(chǎn)品 。b 參數(shù)表達(dá)了產(chǎn)品的故障強(qiáng)度 , 但是難以根 據(jù)這些參數(shù)來(lái)判斷產(chǎn)品的耗損壽命 (報(bào)廢時(shí)間 , 難以確定大修期 。對(duì)于有些產(chǎn)品 , 其可靠性是隨其工作時(shí)間逐漸 下降的 , 到了其耗損階段 , 故障發(fā)生的頻率會(huì)陡然 增高 , 進(jìn)入故障高發(fā)期 。為此 , 人們引入 B10壽命 , 表示有 10%的產(chǎn) 品發(fā)生故障的那個(gè)時(shí)間點(diǎn) , 產(chǎn)品工作到這個(gè)時(shí)間點(diǎn) 后 , 預(yù)期有 10%的產(chǎn)品將會(huì)發(fā)生故障 。 擴(kuò)展開(kāi)來(lái) , BX 壽命比 B10壽命有更為廣泛的應(yīng)用 , 描述為 , 當(dāng) X 為 10時(shí)稱(chēng)為 B

23、10壽命 , 當(dāng) X 為 5時(shí)稱(chēng)為 B5壽 命 。 比 較 常 見(jiàn) 的 BX 壽 命 是 B0.1、 B1、 B5、 B10、 B50壽命 。 因此 , BX 更適合于表征產(chǎn)品的 最小壽命 (嚴(yán)格地講應(yīng)為最小保證壽命 , 也更適 合評(píng)估產(chǎn)品的報(bào)廢期 。4.2壽命指標(biāo)的預(yù)計(jì)為了提出合理的壽命指標(biāo)來(lái)指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì) , 需 要在設(shè)計(jì)中預(yù)估產(chǎn)品的最小壽命 , 這樣可以保證產(chǎn) 品具有滿(mǎn)足用戶(hù)的可靠性指標(biāo) , 也可約束和指導(dǎo)產(chǎn) 品設(shè)計(jì)滿(mǎn)足 EuP 指令的要求 。 要達(dá)到此目的 , 可 靠性預(yù)計(jì)是一種成熟而實(shí)用的方法 , 它有成熟的標(biāo) 準(zhǔn)可參照 ?？煽啃灶A(yù)計(jì)是根據(jù)組成設(shè)備的元器件 、 組件 、 部件的可靠性經(jīng)

24、驗(yàn)和數(shù)據(jù)及可靠性模型 , 對(duì)產(chǎn)品可 靠性水平進(jìn)行估計(jì)的方法 。 這是一個(gè)由局部到整 體 , 由小到大的綜合過(guò)程 ?？?靠 性 預(yù) 計(jì) 標(biāo) 準(zhǔn) 主 要 有 美 國(guó) 軍 用 標(biāo) 準(zhǔn) MIL- HDBK-217、 國(guó) 家 軍 用 標(biāo) 準(zhǔn) GJB 299C 、 美 國(guó) 貝 爾 手冊(cè) SR-332、 CNET 、 HRD 和西門(mén)子手冊(cè) 。 不 同 標(biāo)準(zhǔn)和不同類(lèi)別的元器件的失效率預(yù)計(jì)模型有差 異 , 應(yīng)查找相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn) , 但基本預(yù)計(jì)方法可用下式 表示 :(1 MTBF=1/(2 (指數(shù)分布時(shí) (3式中 : 產(chǎn)品的故障 (失效 率 , 指數(shù)分布 時(shí)為常數(shù) ;bi 第 i 種元器件的基本失效率 ;ij 第 i

25、 種元器件的第 j 種 系數(shù) ;n 產(chǎn)品所用元器件的種類(lèi)數(shù) ;m 第 i 種元器件的 系數(shù)個(gè)數(shù) ;MTBF 產(chǎn)品平均無(wú)故障 (工作 時(shí)間 ; BX 產(chǎn)品可靠度為 X/100的保證壽命 。 若在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段 , 就對(duì)產(chǎn)品壽命可能達(dá)到的 指標(biāo)進(jìn)行定量預(yù)計(jì) , 可預(yù)計(jì)產(chǎn)品的最小壽命 , 為產(chǎn) 品選擇適當(dāng)?shù)谋Ｐ奁?, 估計(jì)保修期間的維修費(fèi)用和 備用件費(fèi)用 ; 可以在方案論證 、 產(chǎn)品競(jìng)標(biāo) 、 壽命指 標(biāo)確定 、 制訂評(píng)價(jià)試驗(yàn)計(jì)劃 、 制訂維修保障方案時(shí) 做到有的放矢 , 并能改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì) , 提高其可靠性 和保障性 , 使其滿(mǎn)足 EuP 指令的要求 。4.3通過(guò)降額設(shè)計(jì) , 提高壽命 , 降低功耗降額

26、設(shè)計(jì)是指元器件以承受低于其額定值的應(yīng) 力方式使用 。 應(yīng)力是指施加在元器件上并能影響故 障率的電氣 、 機(jī)械或環(huán)境應(yīng)力 。電子元器件在使用或儲(chǔ)存過(guò)程中 , 總存在著某 種比較緩慢的物理化學(xué)變化 。 當(dāng)這一物理化學(xué)變化 過(guò)程發(fā)展到一定的階段 , 元器件的特性退化 、 功能 喪失 , 即失效 。 物化過(guò)程與電應(yīng)力和溫度有密切的 關(guān)系 。 當(dāng)溫度升高或電應(yīng)力加大時(shí) , 這些物理變化 的過(guò)程會(huì)大大加快 , 器件的失效過(guò)程被加速 。 當(dāng)施加在元器件上的電應(yīng)力 (電壓 、 電流 、 功 率 不同時(shí) , 產(chǎn)品的壽命也不同 , 可表示為 :(4式 (4 中 :Pr 基準(zhǔn)電應(yīng)力 (額定電應(yīng)力 ; P 工作電應(yīng)力

27、 ;r 在應(yīng)力 P r 下的壽命 ;4CHANPIN YUYU SHIYAN第 2期 在應(yīng)力 P 下的壽命 ; 冪指數(shù) , 一般 5, 所以上式也稱(chēng)做 5次冪法則 。顯然 , 當(dāng)對(duì)電應(yīng)力進(jìn)行降額設(shè)計(jì)時(shí) , 一方面 , 可以降低產(chǎn)品的電應(yīng)力 (減少功耗 , 另一方面也 可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命 , 一舉兩得 。降額設(shè)計(jì)可通過(guò)兩種途徑解決 :a 通過(guò)提高元器件的強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn) , 這是容易實(shí)現(xiàn)的方法 , 也會(huì)延長(zhǎng)壽命 , 但會(huì)造成資源和成 本的增加 , 不符合生態(tài)設(shè)計(jì)思想 , 需認(rèn)真權(quán)衡得 失 。b 降低工作應(yīng)力 。 例如 :降低電源電壓 、 功率或降低電流 , 這種方法可降低功耗 , 節(jié)省資源 , 可

28、靠性也高 , 符合生態(tài)設(shè)計(jì)理念 。 例如 :計(jì)算機(jī)CPU 就是通過(guò)降低電源電壓 (自 5V 一直降到 1.8V , 在速度不斷提高的情況下 , 使其耗能和體積都控制在合理的范圍內(nèi) 。4.4合理的儲(chǔ)備設(shè)計(jì) , 降低維護(hù)成本 , 延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命貯備有時(shí)也稱(chēng)之為冗余 。 為了提高可靠性 , 在 構(gòu)成產(chǎn)品時(shí) , 增補(bǔ)一些工作單元或后備單元 , 即使 其中之一發(fā)生故障 , 而整個(gè)產(chǎn)品仍能照常工作 , 這 稱(chēng)為貯備設(shè)計(jì) 。 貯備設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品可靠性的主要 方式之一 。 但是 , 如何設(shè)計(jì) , 需認(rèn)真權(quán)衡 , 盲目的 貯備 , 雖然會(huì)提高可靠性 , 也會(huì)增加成本 , 浪費(fèi)資 源 , 因此 , 必須仔細(xì)研究貯備

29、模式和特點(diǎn) , 求得最 佳 。例如 :在串 、 并組合貯備中 , 如何連接才能提 高產(chǎn)品可靠性又不增加成本呢 ? 從圖 1可見(jiàn) , 在 串 、 并組合貯備時(shí) , 僅當(dāng)單元可靠度足夠高 (對(duì) (a 方 式 , R>0.62; 對(duì) (b 方 式 , R>0.38 時(shí) , 才有效果 ; 否則 , 若單元可靠度不高時(shí) , 組合貯備 系統(tǒng)還不如單個(gè)單元的可靠度高 。 不但可靠性不 高 , 還浪費(fèi)了資源 。對(duì)比 (a 與 (b 的兩種貯備方式 , (b 的貯備效果要優(yōu)于 (a 的效果 , 但所用資源的差別不大 。這一結(jié)論在電池組的連接應(yīng)用中是最直接的 , 先并聯(lián)后串聯(lián)構(gòu)成的電池組其可靠性高 ,

30、 壽命也 長(zhǎng) , 但成本和資源消耗同串聯(lián)后并聯(lián)比是一樣的 , 如圖 2所示 。4.5認(rèn)真實(shí)施簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和功能優(yōu)化 , 節(jié)省能耗和資源 , 延長(zhǎng)壽命簡(jiǎn)化設(shè)計(jì) , 是可靠性設(shè)計(jì)的重要方法 , 在相同 性能時(shí) , 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 不但可靠性高 , 而且節(jié)省 資源和能耗 , 因此 , 應(yīng)將簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于生態(tài)設(shè) 計(jì) 。 簡(jiǎn)化電路的目的是要大大減少元器件的數(shù)量 , 為此 , 除了要盡量革除電路中那些作用不大的元器 件外 , 還不可拘泥于原來(lái)的電路形式 , 認(rèn)真簡(jiǎn)化電 路 , 下述原則是可以采用的 :a 在滿(mǎn)足技術(shù)性要求的情況下 , 盡量簡(jiǎn)化方案及電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) , 減少整機(jī)元器件數(shù)量及 機(jī)械結(jié)構(gòu)零件

31、。b 盡量實(shí)施系列化設(shè)計(jì) 。 在原有的成熟產(chǎn)品上逐步擴(kuò)展 , 抅成系列 , 在一個(gè)型號(hào)上不能采用過(guò) 多的新技術(shù) 。 采用新技術(shù)要考慮繼承性 。c 盡量實(shí)施統(tǒng)一化設(shè)計(jì) 。 凡有可能均應(yīng)用通用零件 , 保證全部相同的可移動(dòng)模塊 、 組件和零件 都能互換 。d 盡量減少元器件的規(guī)格 、 品種 , 增加元器圖 1串并組合貯備系統(tǒng)圖 2電池組采用串并組合貯備時(shí)的不同方式(a 串并連接的電池組 (b 并串連接的電池組張?jiān)稣盏?:可靠性工程技術(shù)在用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用5電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn) 年 件的復(fù)用率， 使元器件的品種、規(guī)格與數(shù)量比減少 到最小程度。 合理的熱設(shè)計(jì) 產(chǎn)品的熱量一方面來(lái)自產(chǎn)品自身發(fā)熱

32、， 另一方 面來(lái)自環(huán)境的熱。高溫將影響產(chǎn)品的壽命， 因此， 熱設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面， 一是減少設(shè)備 （ 線(xiàn)路） 內(nèi)部 產(chǎn)生的熱量， 實(shí)際是降低功耗， 這是電路設(shè)計(jì)的一 項(xiàng)指標(biāo)； 二是減少熱阻， 是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目 的之一。 熱設(shè)計(jì)使元件不在高溫條件下工作， 以避免參 數(shù)漂移， 這樣才能保證電氣性能穩(wěn)定， 保持電氣性 能穩(wěn)定， 延長(zhǎng)使用壽命。 電子設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與電路和結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)同步進(jìn)行。在電路設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)盡量減少電路發(fā)熱 量； 減少熱元件的數(shù)量； 選擇耐熱性和熱穩(wěn)定性好 的元器件、原材料， 采用降額設(shè)計(jì)法等。在結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)時(shí)應(yīng)合理地選擇冷卻方法； 進(jìn)行傳熱通道的最佳 設(shè)計(jì)； 盡量減少熱阻和摩擦發(fā)熱部件。 在電路設(shè)計(jì)中， 優(yōu)化電路設(shè)計(jì)， 最大限度地降 低電路能功耗， 例如： 在眾多樓梯或公共場(chǎng)合的