嵌入式硬件电路可靠性的关键问题的分析（可靠性介绍）

硬件电路可靠性的关键问题的分析

关键词：失效率 温度 可靠性 降额 器件工艺

一、质量与可靠性的区别

质量：时间点上去衡量

可靠性：一段时间上才能衡量，需要有量才能去衡量（大部分是产品量产之后才会出现问题）

质量：在时间点上衡量（弓箭的锋利程度，光看这个指标就是典型的质量问题）

可靠性：在一段时间上衡量（弓箭过了若干年后任然保持锋利，这个就是可靠性问题）

可靠性的定义是单独一套产品在规定条件下能够正常运行达到指定时长的概率。指数分布它可以采用统计数据表达如下：

其中，λ表示固有故障率，不包括初期故障（早期故障）和磨损故障（寿命终点）。

二、产品寿命与产品个体故障之间的关系

寿命：寿命是一个统计数据，重在“统计平均”，一个产品的寿命为10年，不代表10年内不出现问题，10年这个数据是通过一群产品统计平均算出来的。

产品寿命的计算方法;MTBF=1/λ，λ是失效概率

寿命计算：寿命=1/失效率, 浴盆曲线平坦区的时间

浴盆曲线

（1） 早期失效期 这一阶段失效较高，但随着时间增加而迅速下降。这一阶段产品失效的原因大多是由于设计、 原料和制造过程中的缺陷所造成的。

（2） 偶然失效期 这一阶段也称随机失效期或稳定工作阶段。在此期间，产品的失效往往带有某种随机性。它们是极端环境环境条件下与偶遇过大载荷引起，所对应的失效率函数为常数。

（3） 耗损失效期 在此期间，产品由于老化、磨损、损耗和疲劳等综合原因造成，失效率明显上升。

三、硬件产品研发中不可忽略的法则

1、任何事情都没有表面看起来那么简单

2、所有的事情都会比你预计的时间长

3、会出错的事情总会出错，只要发生过一次故障，那么这个故障最终会在客户处爆发

4、如果你担心某种情况发生，那么它更有可能发生

5、实验室出现过的问题，如果不解决在客户现场一定会出现。

四、硬件电路设计中提高可靠性的两个主要方法

背景知识：

器件极限温度承受能力是高压线，超过后失效率剧增，使用中不允许超过。在极限温度以内，器件失效率与温度仍然强相关，失效率随着温度升高而增加。

提高可靠性的两个主要办法

1、控制功耗（器件的失效率与温度成正相关关系，功耗越大温度越高，就有可靠性问题）

2、降额（降额同样也是问了降低温度，从容提高可靠性）

实现可靠性的方式：

1、选择更好的元器件（整板单个器件的可靠性级别更高，产品的可靠性也更高）

2、降额（降额同样也是问了降低温度，从容提高可靠性）

3、冗余（比如航天领域都会有备份系统，一个系统失效之后，另一个系统还可以顶上继续用）

4、监测（如汽车会有很多检测，胎压报警，过温报警等检测，这些报警即使出现也不影响汽车短时间内的正常使用，只是告诉用户这里有问题了，需要去检修了）

五、关注温度变化引起的电路特性改变，掌握其变化规律

区别器件采用CMOS工艺还是TTL工艺很重要，应为两种工艺的等效电阻和温度的关系不一样。

CMOS工艺：温度 T 与 等效电阻 R 的关系成正相关关系（T增加 R增加 ）

TTL工艺：温度 T 与 等效电阻 R 的关系成负相关关系（T增加 R减小 ）

下图中，CMOS工艺可以并联还是TTL工艺可以并联？

答案：CMOS工艺可并联

原因：CMOS工艺（T增加 R增加 ），两个管子虽然同型号，但是肯定存在差异，等效R小的过电流大，发热量大，发热量大R增大，最终两个管子会到达R一样，最终电流平均分配。所以很多大功率的COM工艺的管子都是并联出来的。

TTL工艺（T增加 R减小 ），两个管子虽然同型号，但是肯定存在差异，等效R小的过电流大，发热量大，发热量大R减小，最终有一个管子发热越来越大，最终两个管子都烧坏。

区别CMOS工艺还是TTL工艺有助于我们分析问题，如下图所示，对于不同的环境下出现的问题，了解器件工艺，可以为我们提供分析问题的方向，更快的定位问题。

六、判断是否可能出现潜在故障，最关键的判决依据

从门限裕量的角度，分析设计中潜在的问题

门限：横轴上的建立时间、保持时间 纵轴上的ViH和ViL。门限值一般在ViH和ViL之间

在ViH和ViL之间10%到90%之间必须要单调，如上图不单调就会导致误判。门限指标很关键，高低电平门限还有多少裕量是判断产品是否会有可靠性问题的关键。

可靠性问题不是所有板子都会发生，在某些条件下某些板子会出问题，不是每一个板子都会发生，上量之后每个板子的表现不一样，如果裕量不够，有些单板的信号很有可能就落在安全区域外，所以要留有足够的裕量。工作环境，干扰源，电源纹波也是导致产品出现可靠性问题的关键阐述。

需要考虑的因素：

1、芯片输入端电压范围要求

2、芯片负载电流要求

3、考虑器件的偏差

4、考虑温度等环境因素的影响

5、考虑客户处可能出现的各种情况

七、稳态和瞬态冲击对电路应力的影响及其差别

瞬态：瞬态不产生热

稳态：稳态会产生热

做热仿真的时候错把瞬态值当稳态值（仿真值与实测值差别大的原因），会导致过设计，增加成本，热设计工程师，硬件工程师给到的数据要区分稳态和瞬态，如果给的瞬态值，很有可能造成裕量过大，造成设计成本增加。