可靠性设计:降额设计

发布于:2022-11-07 ⋅ 阅读:(10) ⋅ 点赞:(0) ⋅ 评论:(0)

之前讲了裕度设计,这次讲降额设计。

降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方式。降额设计可以通过降低零件承受的应力或提高零件的强度的办法来实现。

其实降额设计也是裕度设计的一种。或者说,所有可靠性设计方法,在量化后,实际上都是裕度设计。在我的工作中,更加多的是针对电子电器去提降额,而机械产品提安全裕度。并不意味着只有电子电器才讲降额,机械产品一样有。

降额能提高可靠性的原因在于:

1.减小处于应力边缘的元器件的失效可能性。本来处于了应力边缘,因为有降额,能够有点余量,降低了失效可能。

2.降低初始容差的影响。比如零件之间的个体差异、批次波动等等。

3.减小元器件长期使用后参数漂移的影响。尤其是安全类器件,参数很可能存在衰减或漂移,要特别注意。如果你的测试方案没有把寿命后再测一下参数加上,建议早点完善,评估起来心里更有底。

4.应力的不确定性。比如说用户家的水压,我们去看样本量,当样本在500个和2万个时,水压的分布就存在差异了,再多点样本,又不一样。这种情况下,这个应力就不确定,只能说观测这么多样本后,大概率是分布在这个范围。

5.为意外情况提供余量。比如工地、楼盘的电压、水压不稳定,可能会存在电压、水压波动过大,导致设备不能承受瞬间超高的电压、水压。

在降额设计中,“降”得越多,要选用的元器件在性能就要越好,相应的,成本也就越高。在降额设计过程中,要综合考虑,人们去总结了一些准则。

国产电子元器件,降额的选取,按书本上说的,一般可参考《GJB/Z 35-93元器件可靠性降额准则》。国外电子元器件,建议采用国外推荐的降额指南进行。

在我的工作中,基于过往经验,我们自己去梳理了一些降额要求。这些经验来自于市场表现,实验发现的一些问题,以及各个事业部间的分享——你可能没有遇到,但在别的事业部遇到了,发现它是个共性问题。这种自己梳理的数据,就更加能够说服工程师。如果你拿其他标准来给他们讲道理,他们还能给你质疑掰扯下,但这种实实在在的失效数据,大家一般就信服了。

降额设计的过程中,应该注意:

一、不应将标准所推荐的降额量值绝对化,应该根据产品的特殊性适当调整;


我在谈结构化思维评审时提到,对于评审,我们首先要问的问题是,这个产品的应用场景到底是什么。只有先把场景搞清楚了,才能识别一系列的环境应力。进而进行相应的可靠性设计。不同的场景,对于降额量的需求不一样。

二、应注意到,有些元器件参数不能降额;

比如继电器的驱动线圈电流,如果降额,则导致驱动电流产生的电磁力下降,从而使继电器触点的吸合力度不够,抗振抗冲击性能变差。又比如光学元器件降额后,会导致发光强度减弱,影响显示效果。
三、一般说来,对于电子元器件,其应用应力越降低越能提高其使用可靠性,但却不尽然。

如聚苯乙烯电容器,降额太大易产生低电平失效。原因如下:对于聚苯乙烯电容器,其电极材料是铝箔,与铜箔焊接后作为引线。由于铝箔在空气中极易氧化,会在表面生成一层薄的三氧化二铝,它是导电性不良的半导体材料,在低电平下不易将其击穿,而形成开路状态。但在高电平冲击下,可以使三氧化二铝薄层击穿,使引线与铝箔极板良好接触,从而恢复其电容量。

又如我们的软水机产品,它对最低水压有要求,如果把用户家的水压应力降得太低了,机器反而出问题了。


四、为了降低元器件的失效率,提高设备可靠性而大幅值降低其应用应力,按其功能往往需要增加元器件数量和接点,反而降低了设备可靠性;

这点其实也是在工作中经常遇到争议的。比如我们给净水机在进水端加一个减压阀,以大幅降低后端其他零部件受到的水压应力。但因为要加这个减压阀,还得加多一些接头、管路、卡销等等,接口反而多了,从而漏水点也增多了,而阀体本身的可靠性也是一个问题。


五、对器件进行降额应用时,不能将所承受的各种应力孤立看待,应进行综合权衡;

比如下面这个表列出常用元器件的降额参数,有多个应力会影响,那就要综合权衡。

六、不能用降额补偿的方法解决低质量元器件的使用问题,低质量产品要慎重使用;

​元器件质量低,很可能本身就是设计有问题、工艺有问题等等,不能说我加大降额就可以用。它很可能会在遇到一些应力时直接挂了。

在我的工作中,目前我们的降额更多的是搭载在安全评审以及电控评审里,在设计阶段进行评审,在测试阶段进行针对性测试,定期或不定期更新降额规范。