可靠性设计

Posted 2021-04-19 蓦然似水流年

可靠性设计主要有以下几个方面。

一是降额设计。在电子产品中，电应力以及电应力带来的热应力是产品失效的重要原因之一。如果电子产品长时间在额定功率/电流/电压上满负载，其可靠性会大大缩减，提前爆发故障。所以降额设计就是应对此类问题的重要手段之一。降额设计指的是在设计上，将器件上所承受或者运行的功率/电流/电压设计低于额定要求。具体是额定功率的百分之几，看实际需求。目标是减少器件所受的电应力和热应力，让器件更长时间地稳定的运行。当然，降额设计不是降得越多越好。一方面，降额太多意味着器件的可靠性余量比较充足，对应的器件成本也会是一个负担；另外一方面降额是有一定范围的，在降额范围内，可以有效延长器件可靠性，超过降额范围，对器件的运行效率反而是负作用。

二是耐环境设计。我们所常见的产品失效问题，往往与使用环境有关。例如温度，湿度，冲击，沙尘等等，都是常见的、造成产品失效的直接原因。所以对应地需要考虑产品的耐环境设计。比如温度因素的影响，就要在产品设计上增加热设计。例如电脑中的风扇以及金属冷凝管，都是属于热设计，用于保障产品不受温度的影响失效。又如许多PCBA中刷三防漆，主要就是为了防潮防盐雾防霉菌，也是产品耐环境设计的一种案例。耐环境设计的提前，就是要考虑到产品在生命周期内可能遭受到的所有环境条件，以期在产品设计阶段增加对应措施。

三是冗余设计。简单而言就是在一个产品上做备份设计。某些高可靠性要求的产品，为了保证产品在使用过程中功能连续可靠地运行，需要做冗余设计。例如小区通信基站，需要确保其控制单元长时间工作，避免控制单元失效后整个小区通信瘫痪。这就必须做控制单元的冗余设计——即一个基站上设计主副两个控制单元，当主控制单元失效后，立即切换到备份控制单元工作，以支撑整个基站系统继续运行。当然，冗余设计很明显地会提高产品的成本。所以冗余设计一般是在高可靠性要求的产品（例如宇航产品，军工产品）运用；或者是在某些产品中的关键模块中运用（比如上述提到的基站的控制单元）。

第四个是简化设计。产品设计是由多个单元模块组合成的，一个单元模块出现故障往往会导致整个产品的失效。从概率统计学角度来说，单元模块越多，产品的失效概率越大。所以简化设计是一个提高可靠性的重要手段。所谓简化设计，就是尽可能将各个独立的单元模块设计集合成一个模块，减少模块与模块互联带来的失效概率。例如早期的手机射频模块设计，从天线馈线到基带芯片，基本各个模块都是独立设计的——LNA模块（低噪放大），混频模块，编解码模块等等。多个独立模块的级联不仅导致设计调试非常困难，还很容易导致生产制造过程中由于器件参数或者生产过程的偏差造成整机功能性能不达标。而如今的手机的射频模块，已经由高通等厂商直接集成为一个IC，设计调试的难度大大降低，射频模块的可靠性却提高了不止一倍。

2019年4月9日星期二，广州