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無(wú)論您的終端應用是什么，可靠性都將是設計的主要考慮因素之一。實(shí)現可靠性的方法多種多樣。 作者：Adam P. Taylor，e2v公司系統工程主管 aptaylor@theiet.org 在考慮設計可靠性時(shí)，大部分工程師都將注意力集中在一個(gè)綜合性度量標準：平均故障間隔時(shí)間。事實(shí)上，平均故障間隔時(shí)間(MTBF)是評估設計可靠性重要參數之一。但是另一個(gè)參數“成功概率”，也同樣重要。因此為了最終推出可靠的設計方案，設計人員應該充分考慮其它因素并確保進(jìn)行準確的可靠性分析。 無(wú)論您設計哪種產(chǎn)品，可靠性都是必不可少的，盡管原因不盡相同，但都取決于終端應用。航空航天與軍事設計人員必須確保操作員/乘客的安全，確保成功完成任務(wù)。在電信領(lǐng)域，實(shí)現可靠性的目的則是防止出現服務(wù)中斷的情況，因為這樣會(huì )影響收入流與聲譽(yù)。工業(yè)和流程控制工程師的任務(wù)就是盡可能縮短停機時(shí)間，在故障發(fā)生時(shí)，能夠確保安全、無(wú)故障運行。對于商業(yè)應用，設計人員必須確保其產(chǎn)品在規定的質(zhì)保期內不會(huì )出現任何問(wèn)題。 使用FPGA可以研發(fā)出集成度更高的解決方案，從而可以延長(cháng)系統的平均故障間隔時(shí)間。當器件制造商定期提供季度可靠性報告時(shí)，這一點(diǎn)更為明顯，賽靈思就是如此做的，其出版的季度可靠性報告名為《UG116》。 從最高層次來(lái)說(shuō)，可從兩個(gè)角度來(lái)考慮可靠性。第一，系統在規定使用壽命內順利運行的可信度。這一點(diǎn)可以采用MTBF、成功概率以及熟悉的浴盆曲線(xiàn)。第二，發(fā)生錯誤事件時(shí)，如何確保您的設計可以繼續工作并保持無(wú)故障運行，或者針對尚未解決的問(wèn)題出具報告。我們工程師開(kāi)展設計與分析的方法可以影響到可靠性的上述兩個(gè)方面。 為了確保解決方案的可靠性，您的開(kāi)發(fā)環(huán)境必須建立正確的工程設計治理制度，設置審查關(guān)口、設計規則與指南，同時(shí)在生命周期內，應該安排同行在適當的點(diǎn)進(jìn)行獨立審核。 MTBF與浴盆曲線(xiàn) MTBF的定義是從統計學(xué)角度預測系統運行過(guò)程中的故障間隔時(shí)間。制造商取各個(gè)組件的故障率倒數計算MTBF。我們一般將這些故障率稱(chēng)為FIT率，其中，故障時(shí)間（FIT)為1e-9小時(shí)-1。您既可向組件供應商索取故障率，亦可根據軍用手冊MIL-HDBK-217F或Bell-core/Telcordia SR332標準計算。MTBF與FIT率之間的關(guān)系如下所示： 
但是，上述故障率僅對浴盆曲線(xiàn)中的恒定故障率周期有效，如圖1所示。 浴盆曲線(xiàn)描繪的是產(chǎn)品引入時(shí)的早期（“早期故障期”）故障、正常使用壽命內發(fā)生的故障（“恒定故障率”）以及產(chǎn)品設計壽命結束時(shí)的故障。因此，生產(chǎn)過(guò)程中，通常會(huì )進(jìn)行某種形式的“老化試驗”，排除早期故障期故障。老化試驗過(guò)程中，在各種溫度作用下，器件潛在缺陷會(huì )加快發(fā)生，這樣便可以確保器件在交付、裝入系統之前失效。 您可以通過(guò)韋伯分布、或壽命數據與分析來(lái)確定您的產(chǎn)品或系統在浴盆內的位置，利用Excel很容易完成。形狀參數β表明故障率是穩定、增加還是減少。若形狀參數(β)小于1.0，則表明早期故障期內，故障率在下降，若形狀參數大于1.0，則表明故障率在上升，而此現象會(huì )在磨損階段出現。 為了確保成功概率合格，許多產(chǎn)品都要求MTBF必須遠遠高于預期使用壽命。 確定您在浴盆曲線(xiàn)中的位置后，如果您認為系統至少在MTBF期間可以繼續無(wú)故障運行，那也是情有可原的。然而情況并非如此。MTBF是從統計學(xué)角度描述產(chǎn)品在使用壽命內可能出現的故障率；并非指產(chǎn)品的預期使用壽命。如果想要獲得產(chǎn)品的預期使用壽命，我們需要考慮通過(guò)以下公式所求得的成功概率，其中t表示預期工作時(shí)間（單位：小時(shí)）。
將成功概率繪制成圖之后，可以看到，當預期工作時(shí)間接近MTBF時(shí)，成功概率為0.37左右，如圖2所示。這意味著(zhù)成功概率這一單個(gè)模塊在MTBF達到0.37所消耗的時(shí)間之后，仍然有效。如果考慮到一批器件，則其中的37%仍然正常工作。 因此，為了確保工作壽命內成功概率合格，許多系統/產(chǎn)品都要求MTBF必須遠遠高于預期使用壽命。例如，假設使用壽命為五年，成功概率為0.99，則產(chǎn)品所要求的MTBF必須達到4,361,048小時(shí)或497年，如以下公式所示。
顯而易見(jiàn)，這遠遠超過(guò)了使用壽命。 可靠性計算 您可以采用以下方法之一計算可靠性與MTBF——零件計數分析或零件應力分析。其中零件計數分析比較簡(jiǎn)單，有時(shí)候可以在開(kāi)發(fā)周期早期進(jìn)行，作為產(chǎn)品是否達到可靠性要求的指標之一。此類(lèi)分析考慮到了零件質(zhì)量水平、數量以及使用環(huán)境。零件計數分析可以快速進(jìn)行。但是，結果趨向于保守，導致故障率上升，MTBF縮短。
圖1 - 浴盆曲線(xiàn)追蹤產(chǎn)品引入時(shí)的早期（“早期故障期”）故障、使用壽命內所出現的故障以及壽命結束后的“磨損”故障。
圖2 - 當預期工作時(shí)間接近MTBF時(shí)，成功概率為0.37。 零件應力分析將會(huì )考慮到更多參數，因此所需時(shí)間更長(cháng)，但是此類(lèi)分析的結果更加準確。應力分析需要考慮到溫度、電應力、質(zhì)量、結構、工作環(huán)境等許多因素，具體取決于您所分析的組件種類(lèi)。對于當前應用而言，此類(lèi)分析所獲得的故障率要準確得多。 提高可靠性 有許多方法和技術(shù)可用于幫助延長(cháng)MTBF，進(jìn)而提高您系統或產(chǎn)品的成功概率。最常用的方法是降低組件所承受的額定電應力與熱應力。通過(guò)如此降額，在進(jìn)行上述零件應力分析時(shí)，您可將器件應力考慮在內。各個(gè)公司通常都會(huì )制定自己的降額規則。但是，如果沒(méi)有內部規則，則您可以參考業(yè)界標準規則，例如歐洲空間局的ECSS-Q-30-11A與美國海軍的NAVSEA TE000-AB-GTP-010。 雖然零件應力分析會(huì )增加非經(jīng)常性工程成本，但是對于工程團隊而言，還有許多其它選項，這些選項均會(huì )影響到經(jīng)常性成本。 第一個(gè)選項便是提升組件質(zhì)量，同時(shí)應用類(lèi)似的降額規則。這可能意味著(zhù)，從標準商業(yè)零件到高質(zhì)量的軍用（通過(guò)QML Q認證的IC）乃至航空（通過(guò)QML V認證的IC）組件全面提升質(zhì)量。然而值得注意的是，隨著(zhù)組件質(zhì)量水平的提升，其價(jià)格亦會(huì )隨之提升。表1顯示了集成電路、混合件以及分立件所需的各種不同標準。 第二個(gè)選項便是引入冗余，無(wú)論是模塊間的還是模塊內的。冗余可增加尺寸、重量以及解決方案的成本，但其所帶來(lái)的后果是對系統可靠性造成顯著(zhù)影響，進(jìn)而影響系統可用性。通常最好的做法便是在系統層面做出冗余決策，在系統中故障率較高位置安裝額外組件。此種方法是專(zhuān)門(mén)針對冗余而開(kāi)發(fā)的最佳解決方案。 在考慮冗余時(shí)，您可以選擇熱冗余或冷冗余。對于“熱”冗余解決方案，冗余系統采用電動(dòng)，其配置可以通過(guò)無(wú)縫切換替換失效模塊，不會(huì )對系統性能產(chǎn)生任何影響。缺點(diǎn)在于此種情況下，冗余設備會(huì )承受應力。 表1 - IC、混合件與分立件的標準版、軍用版與航空版
表2 - 狀況監控詳情表
在“冷”冗余方案中，冗余系統通常不采用電動(dòng)，只有在主模塊失效之后，才會(huì )重新啟動(dòng)。系統會(huì )終止活動(dòng)，直到對冗余端進(jìn)行重新配置，非失效模塊才會(huì )繼續工作。雖然工作會(huì )中斷，但是優(yōu)點(diǎn)在于冷冗余解決方案不會(huì )老化，因為冷冗余不采用電動(dòng)，不會(huì )承受電應力。 引入冗余之后，您必須注意確保故障不會(huì )擴散，因為在主模塊側失效的時(shí)候，如果故障擴散，則就會(huì )影響到冗余模塊的性能。 系統級考慮事項 考慮了零件質(zhì)量以及冗余對系統造成的重大影響之后，您還可以執行其它選項，以確保發(fā)生錯誤或故障事件時(shí)系統性能正常。這些選項包括： • 危險故障擴散模式 • 內置測試、遙測以及事件日志，用于監控和記錄系統健康狀況 • 設備接口，無(wú)論是單一連接器還是主模塊與冗余 • 關(guān)鍵命令順序（例如，分離系統“手臂”與“消防”命令） • 內存與數據鏈路錯誤率(BER、ECC)可接受 作為監管或認證標準的一部分，您必須進(jìn)行危險性分析，以確定設備發(fā)生故障時(shí)可能出現的潛在危險。因此，您需要負責確保系統級的設計能夠采取適當措施，通過(guò)聯(lián)鎖裝置等避免上述危險發(fā)生。如有必要，您應該將這些減緩措施作為規定要求應用到各個(gè)子系統，以便確保這些故障模式均得到正確處理。 了解設備健康狀態(tài)，然后上報或記錄，您可以通過(guò)此方式進(jìn)行預測，確保運行不會(huì )受到故障的影響，確定設備故障原因，有利于對其進(jìn)行維修。更多的復雜系統可能包括全面的自測功能，通電之后或者運行期間可以連續運行此功能。表2顯示了更加詳細的您可能考慮監控的需求中斷測試。 上述結果可以通過(guò)通信鏈路以健康狀態(tài)的形式進(jìn)行傳送，保存在非易失性存儲器之中，例如，flash或FRAM或二者同時(shí)使用。通常情況下，您可能會(huì )選擇采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘或越時(shí)計數器(elapsed-time counter)，對這些事件逐一標記時(shí)間，以便形成參考系。 在惡劣環(huán)境下，工程師所面臨的另一個(gè)問(wèn)題是連接器。連接器是故障多發(fā)位置，因為里面的單獨電纜可能會(huì )斷開(kāi)，或者連接器本身會(huì )因振動(dòng)或震動(dòng)等環(huán)境影響而掉落。因此，您可以通過(guò)裝入冗余連接器和電纜來(lái)增加可靠性。第一個(gè)連接器發(fā)生故障后，冗余連接器可以接管通信，如圖3所示。但是，這種冗余的代價(jià)是增加了復雜性，尤其是當您需要連接大量模塊時(shí)。一種替代方案就是采用專(zhuān)門(mén)針對惡劣環(huán)境設計的連接器，例如MIL-STD 38999系列連接器。
圖3 - 如果原始連接器出現故障的話(huà)，冗余連接器將接管工作，但代價(jià)是增加了復雜性。 若系統或產(chǎn)品將用于惡劣環(huán)境，例如，電氣噪音比較大，則系統內部總線(xiàn)所傳送的命令考慮采用手臂/消防方案是比較明智的。在上述方案中（參見(jiàn)圖4），初始命令被傳送至接收器，然后接收器確認命令，并啟動(dòng)超時(shí)。如果接收器無(wú)法接收消防命令，則會(huì )發(fā)出不予確認字符(NACK)命令，作為響應，接收器在啟動(dòng)超時(shí)之前會(huì )發(fā)出確認字符(ACK)命令。類(lèi)似的，如果接收器接收到其它命令，則其會(huì )發(fā)送NACK命令，并重新開(kāi)始處理。此方案可確保，其中一個(gè)命令因電磁干擾(EMI)而被中斷時(shí)，不會(huì )無(wú)意中產(chǎn)生關(guān)鍵命令。
圖4 - 對于電氣噪音比較大的環(huán)境，“手臂消防”順序有助于降噪。 此外，您還可以采用與手臂消防方法相類(lèi)似的方法，確保所有通信鏈路和內存均有糾錯與檢測代碼，確�？煽客ㄐ�、數據得到可靠保存。至于是單獨選擇錯誤檢測代碼，還是選擇錯誤檢測與糾錯代碼，將取決于終端應用。然而，您可以使用許許多多的代碼，從非常簡(jiǎn)單到比較復雜（表3）均可使用。保護級別隨代碼復雜程度增加而相應變化。 表3 - EDAC代碼，從簡(jiǎn)單到復雜。
所有工程師，無(wú)論其正在研究的終端應用是什么，均必須考慮到終端系統的可靠性。工程師可自行選擇許多方法，用于幫助實(shí)現高可靠性產(chǎn)品。 |
