凌云天博设备硬件可靠性设计方案

Posted 2021-04-19 凌云天博

摘要

高可靠性的设备硬件至关重要，设计不当和元件失效都会影响硬件的正常运转。本文对设备硬件的高可靠性提供了有效解决方案，具体从降额设计和冗余设计方面进行考虑。

基本概念

产品可靠性

元件、产品、系统在一定时间内，在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。

硬件可靠性

硬件可靠性是指在给定的操作环境与条件下，硬件在一段规定的时间内正确执行要求功能的能力。

硬件系统通常由多个子系统组成，而子系统又是由更小的子系统组成，直到细分到电阻器、电容器、电感、晶体管、集成电路IC等小元件的复杂组合，其中任何一个元件发生故障都会成为系统出现故障的原因。因此，硬件可靠性设计在保证元器件可靠性的基础上，既要考虑单一控制单元的可靠性设计，更要考虑整个系统的可靠性设计。

影响硬件可靠性的主要因素

元件失效

元件失效有三种：一是元件本身的缺陷，如硅裂、漏气等；二是加工过程、环境条件的变化加速了元件、组件的失效，如高温、气体腐蚀等；三是工艺问题，如焊接不牢、单板应力过大等。

元器件失效

设计不当

在硬件系统中，许多元器件发生的故障并不是元件本身的问题，而是系统设计不合理或元器件使用不当所造成。在设计过程中，如何正确使用各种型号的元器件或集成电路，是提高硬件可靠性不可忽视的重要因素。

电器特性不满足要求示例

凌云天博硬件可靠性设计方案

为了提升硬件系统的可靠性，我们通常在设计当中进行相关考虑，对电气和环境条件进行降额及冗余设计，进而提升硬件可靠性。

降额设计

设计时元器件或设备工作时承受的工作应力适当低于元器件或者设备规定的额定值，从而达到降低基本失效率，提高使用可靠性的目的。

降额为什么能提高可靠性

• 减小处于应力边缘状态的元器件在系统寿命期内失效的可能性；

• 降低元器件参数初始容差的影响（如器件个体之间的差异，批次波动，工艺更改）；

• 减小元器件参数值的长期漂移带来的影响；

• 为应力计算中的不确定性，提供余量；

• 针对意外事故提供余量，比如机房空调故障，电压峰值瞬变应力等；

降额设计需要考虑的几个方面

器件的电气特性降额

参考降额规范，选型应该符合降额要求的器件，我们通常按照以下降额标准进行电路设计。

我们在设计过程中，需要重点注意电阻器件的功率降额、电容器件的耐压降额，对于电解铝电容，还需要关注高温下的等效寿命是否符合产品设计要求。

器件的热设计降额

热设计

热设计是随着通讯和信息技术产业的发展而出现的一个较新的行业，且越来越被重视。随着通讯和信息产品性能的不断提升和人们对于通讯和信息设备便携化和微型化要求的不断提升，信息设备的功耗不断上升，而体积趋于减小，高热流密度散热需求越来越迫切。

热仿真设计

热设计目的

热设计是以解决通讯和信息产品中过热问题为目的，热设计的实际工作就是采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。我们在进行整机及单板设计的时候，通常要根据器件的功耗、热参数进行热仿真设计，来确定单板在规定温度环境范围内能否正常工作。

热仿真结果样例

热仿真云图

凌云天博热设计降额关注内容

单板的设计过程中，依据热仿真的结果作为参考进行器件的热降额设计，热设计降额过程中重点关注以下内容：

• 对于高密高工作温度的单板，要特别关注电容的选型，通常器件背面高温区域不推荐使用X5R等级的电容，尽量使用X7R及NPO等级电容；

• 对于二次电源模块，通常需要重点关注开关管部分的热降额是否满足标准。通讯设备通常使用的48V电源砖是整板失效率最高的部分，这部分的散热也是需要重点关注的部分；

• 时钟部分属于易收到温度影响的电路，在布局部分需要注意远离热源部分，降低器件失效率；

• 内存器件在布局过程中需要注意温度的影响，DDR内存在不同的工作温度，会对应两个不同的刷新率，防止高温下数据丢失；

• 降额分析，需要分别考虑“稳态”和“瞬态”，分别按照“稳态”和“瞬态”进行分析电阻的功耗降额。

冗余设计

目前常用的冗余设计包括热备份并联冗余和冷备份并联冗余，两者都是以增加成倍的硬件投资来换取系统硬件的可靠性。

热备份并联冗余是将若干功能相同的系统并行运行，同步执行相同的处理程序，当并联系统中至少有一个控制单元工作正常时，整个系统即维持正常工作。热备份方案中，根据两套系统的工作方式不同可以有三种不同的工作模式，即：双机热备模式、双机互备模式和双机双工模式。机框式OLT产品依据工作场景特点，主要采用前两种冗余工作模式，其中主控系统采用了双机热备模式，电源系统采用了双机互备份模式。

TBE8000-10整机示意图

对于机框式OLT产品的主控系统，为了提高系统的可靠性和经济性，采用双机热备份方式工作。其中一个主控正常工作，负责数据的转发及系统的控制，另一个主控处于并行工作的待命状态。但两个主控同步执行相同的程序，一旦自检系统发现主用主控出现故障时，则待命状态的主控自动切换上去，代替主用主控继续正常运行。

机框式OLT产品的电源系统，采用了双机互备模式进行工作，两台电源系统互为备机，一旦其中一个电源系统出现故障，另外一个电源系统可以平滑接管过来，保证整机电源的持续供电。在更换电源后，两个电源再次协同工作。

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