電子通信產品的硬件可靠性設計

十年專注單片機方案開發的方案公司英銳恩，分享電子通信產品的硬件可靠性設計。英銳恩現提供服務產品涉及主控芯片：8位單片機、16位單片機、32位單片機及各類運算放大器等。

電子通信產品的硬件可靠性設計 產品可靠性設計涉及到很多方面，要全面開展起來有一定困難。但是，如果在設計階段不采取必要的措施，開發出的產品可靠性合格的概率是很低的，這就是所謂的“預則立，不預則廢”，決不是危言聳聽。所以，產品的項目負責人及所有研發人員從工作的一開始就應該強化可靠性意識，從力所能及的幾個方面貫徹可靠性設計的思想和方法，盡可能提高產品的可靠性。

本文詳細描寫了電子通信產品的硬件可靠性設計的要點和方法，生動地闡述設計評審的意義，希望能給項目負責人及廣大硬件研發人員有所幫助。 1、可靠性需求分析和指標體系的建立 產品的可靠性需求分析，分定量和定性兩個方面。單板及系統的平均故障間隔時間MTBF（或平均致命故障間隔時間MTBCF）、可用度、環境條件、溫升控制、電磁兼容指標等可以定量地給予明確規定。保障性、維修性、可生產性、不允許發生事件等方面要定量規定有些困難，但是也應該做一些定性的規劃。在研制規范中有一個章節叫“不允許發生的事件”，我在審核文件中發現，這部分的規定都很馬虎，往往只對顯而易見的一些事件進行了非常輕描淡寫的“不允許發生”的規劃，并沒有對各種潛在的約束條件可能導致產品發生的故障進行約束，所以，我們經常發生這樣的情況：測試規程、測試用例的設計不能覆蓋產品的方方面面，待產品量產或投入市場運行后故障百出卻悔恨當初規劃或測試不到位。需要說明的是，MTBF或MTBCF的指標及其分配要盡可能合理一些，要想一想，我們確定的指標是否可以實現，是否有市場競爭優勢。王錫吉教授的《一種新的可靠性指標預計方法與應用》介紹了適用于整機系統可靠性指標預計的方法RZTEA和硬件單板的可靠性指標預計方法RZTEB，十分適用于我們產品的可靠性指標預計。何國偉教授的《RMST的系統分析》給我們由單板可靠性指標推算系統的可靠性、可用度指標的方法，建議大家認真閱讀、學習上述文章，以便在產品可靠性指標的確定、分配、預計工作中得到幫助。 2、降額設計 所謂降額，就是要使元器件在設備中實際使用時可能承受的應力小于其額定應力。不同的元器件所要考慮的應力因素是不一樣的，有的是電壓，有的是電流，有的是溫度，有的是頻率，有的是振動，等等。對電容的耐壓及頻率特性，電阻的功率，電感的電流及頻率特性，二極管、三極管、可控硅、運放、驅動器、門電路等器件的結電流、結溫或扇出系數，電源的開關和主供電源線纜的耐電壓/電流和耐溫性能，信號線纜的頻率特性，還有散熱器、接插件、模塊電源等器件的使用要求進行降額設計。

通常，根據降額幅度的大小可分為一、二、三級降額，一級降額（(實際承受應力):(器件額定應力) < 50%的降額）在技術設計上最容易實現，降額的效果也最好，但存在成本過高的問題；二級降額（70%左右的降額）在技術設計上也比較容易實現，降額的效果也很好，并且成本適中；三級降額在技術實現上要仔細推敲，必要時要通過系統設計采取一些補償措施，才能保證降額效果的實現，所以說有一定難度，但三級降額的成本最低。一般說來，我們建議使用二級降額設計方法，在保證降額設計取得良好的效果的同時，技術實現難度和成本都適中。對于涉及到頻率特性的器件的降額要謹慎處理。 3、熱設計 確定產品的運行環境溫度指標，確定設備內部及關鍵元器件的溫升限值。一般說來，元器件工作時的溫度上升與環境溫度沒有關系，而民用級別的元器件的允許工作溫度大多在70~85℃，為了保證在極限最高環境溫度（50℃左右）下元器件的工作溫度還在其允許溫度范圍內并有相當的冗余度，設備內部及元器件的溫升設計指標定在15℃左右比較合適。

在硬件單板設計時，首先應該明確區分易發熱器件和溫度敏感器件（即隨著溫度的變化器件容易發生特性漂移、變形、流液、老化等），布PCB板時要對易發熱器件采取散熱措施，溫度敏感器件要與易發熱器件和散熱器隔開合適的距離，必要時要從系統的角度考慮采取補償措施。系統或子系統通過自然散熱（通風、對流等）措施不能保證設備內部及關鍵元器件溫升限值指標得到保證時，需要采取強迫制冷措施。注意，對整機系統，強迫制冷措施要盡可能在高發熱部位附近實施，要盡量避免使用把熱空氣送到本來發熱不大的部位的散熱路線。 散熱設計究竟怎樣才算合適？我們可以通過一些仿真工具進行初步的設計（美國Ansys公司的熱分析和仿真軟件和FLOTHERM軟件得到了普遍的使用），拿出一個方案，然后，通過“設計—仿真—修改設計一再仿真——測試驗證—設計修正—再測試”的工程方法來實現。不同的設備，其運行的環境溫度極限值指標是不盡相同的。

對于大多數用于電信中心的通信設備來說，可以參照交換機的總技術規范書。為了充分保證產品整機系統的可靠性，一般說來，要求系統在規定的運行高溫條件下至少連續72小時運行功能正常實現且性能指標沒有任何程度的下降，在規定的運行低溫條件下至少連續72小時運行不會引起功能的喪失和性能指標的下降。 這里需要提醒的一點是，整機散熱設計，往往要開辟一些通風孔、通風槽，要使用一些易散熱材料，與電磁屏蔽設計會存在一些矛盾，而一般說來，電磁屏蔽的設計難度要大于散熱設計，所以，在進行整機散熱設計時一定要處理好與電磁兼容設計之間的關系。也就是說，什么位置開通風孔/通風槽、如何確定孔的面積/數量、槽的材料，如何處理縫隙等都需要仔細推敲。好在電信中心使用的通信設備在電磁兼容方面的要求只等同于通用標準CISPR22中規定的CLASS A的要求，加之現在的大多數PCB板都采用多層布線方式，在PCB一級電磁輻射水平大大降低而抗輻射能力又大大提高，從而使整機的電磁屏蔽設計的難度也大大降低，所以說，我們要處理好散熱設計和電磁兼容設計的關系不是很困難的。 

4、電氣兼容性設計（或信號完整性設計） 電氣兼容性是指設備內部組件之間以及設備與設備之間有相互連接關系的信號的電氣特性，如信號的電平閾值誤差、信號脈沖的寬度、信號脈沖的上升沿和下降沿的陡度及過沖與下沖、信號的延時和抖動、模擬信號的失真度、光收發器件的發送功率和接受靈敏度及誤碼率、無線發射信號的功率及無線接收設備的接收靈敏度等，在一定的誤差范圍內能夠“互相容忍”，保證功能的正常實現。建議對以下幾方面給予關注：l 各功能單板對電源的電壓波動范圍、紋波、噪聲、負載調整率等方面的要求予以明確，二次電源經傳輸到達功能單板時要滿足上述要求。l 選用專用器件時要檢查其電氣性能指標是否符合相關標準的要求。l 對高速、高頻電路，信號之間的串擾問題

在研發階段的調試、電源拉偏試驗、高低溫試驗中，要注意檢查信號經傳輸后到達“對方”該信號的接收端時是否符合“對方”設備對輸入信號的各方面電氣指標要求，即信號經過傳輸后電氣性能發生的變化是否在“對方”設備接受信號的容差范圍內，以排除影響電氣性能長期穩定性的不良因素。l 有條件時進行時鐘拉偏、抖動注入等試驗，驗證設備的容差能力。 上述幾點很重要。我們經常在調試或可靠性試驗中忽略這些，往往是在調試和試驗的過程中只觀察功能而不去檢查信號的質量，對信號已經發生偏差甚至到了“邊緣”狀態并不清楚，所以就不可能去采取糾偏措施，等設備投入量產、運行后，經常碰到原因不明不白的故障，只能通過反復換板的辦法來解決，而換板以后時間一長就舊病復發。

5、電磁兼容設計 對電工、電子產品來說，電磁兼容包括整機系統與外部環境之間的兼容和設備內部部件與部件、分系統與分系統之間的兼容。電磁兼容的問題要在開發工作的前期就給予高度重視，這是因為：1、電磁兼容問題首先是質量問題。國外早就發現，進入數字化時代之后，很多電子設備經常發生讓人摸不著頭腦的質量問題就是因為數字化電子設備更容易受各種電磁騷擾（尤其是靜電放電、電脈沖群、雷電感應等各種脈沖騷擾）的影響而造成的；我們公司可靠性部在近兩年解決一些老大難問題之后也證實，我們設備的故障率及單板返修率居高不下的主要原因之一就是我們的產品EMC設計不充分。

2、電工電子產品、信息技術設備的電磁兼容（及電安全性）都有具體的標準或通用標準，在國內市場（尤其軍用設備）已經對這一問題越來越重視，信息產業部早在九七年就計劃對電信產品（包括已經在網上運行的設備）實施電磁兼容強檢強測制度，只是由于測試條件一直不成熟而未能執行?，F在信息產業部通信計量中心的電磁兼容測試中心已經建成并投入使用，國標《電信網絡設備的電磁兼容性要求》也已經由通信計量中心、中興、華為三家起草完成，今年底將上報有關部門審批，隨后就會執行上述制度。在國際貿易中，電磁兼容幾乎已成為發達國家對其他技術相對落后的國家設立的技術壁壘。隨著歐盟的89/336 EEC指令于1996年1月1日生效（注：該指令在今年春天進行了修改），美、日、澳等國家和地區的政府都頒布了相應的指令，嚴禁電磁兼容性不符合它們的標準的產品進入這些國家和地區的市場或在其范圍內生產，所以說，電磁兼容性（及安全性）合格標志是出口產品的“護照”。我公司在電信設備出口方面已經走在同行的前面，公司的目標是在幾年內國際業務達到50%的分額，所以，我們的電磁兼容工作更加要抓緊開展，決不能因這方面的工作不到位而影響國際市場的開拓。

3、電磁兼容的問題如果在產品研發的早期階段不充分考慮、不精心設計，一旦產品成型后，其達標的概率非常小，而且解決問題所面臨的困難、需要花費的人力和代價將會非常大。上述幾點必須首先得到中高層領導的認識和理解，否則電磁兼容工作幾乎推動不下去。電磁兼容設計涉及到電路板、結構、電纜、設備的供電系統和接地體系等各個方面，非常復雜，乍看起來似乎摸不著邊際，其實，通過合理的工作方法和在設計中遵循電磁兼容設計的一些基本準則，還是可以受到事半功倍的效果的。 下面具體談談產品電磁兼容設計的工作內容。

在產品（包括單板）的規格說明中明確規定所設計的產品必須達到的電磁兼容要求，在產品（包括單板）的調試方案、測試方案中擬定電磁兼容的測試項目。l 避免使用靜電敏感器件，選用器件的靜電敏感度一般不低于2000V，否則要仔細推敲、設計抗靜電的方法；在結構方面，要實現良好的地氣連接及采取必要的絕緣或屏蔽措施，提高整機的抗靜電能力。

CMOS電路要采取抗閂鎖設計。

CMOS器件中閑置不用的管腳避免懸空，要視器件的特征把閑置不用的管腳接到電源端或地端。

 各功能單板電源引進處要采用合適的濾波電路，盡可能同時濾除差模噪聲和共模噪聲，噪聲泄放地與工作地特別是信號地要分開，可考慮使用保護地；集成電路的電源輸入端要布置去耦電容，以提高抗干擾能力。l 散熱器要與單板內電源地或屏蔽地或保護地連接（優先連接屏蔽地或保護地），以降低輻射干擾。一般說來各級電源的輸入、輸出端都要使用合適的濾波電路。

機架、機框是否需要做屏蔽設計？如果做屏蔽設計，要分析電磁場的特性，確定使用什么屏蔽材料，確定開孔的大小及數量，確定搭接方式及搭接材料。明確各單板最高工作頻率，對工作頻率在160MHz（或200 MHz）以上的器件或部件采取必要的屏蔽措施，以降低其輻射干擾水平和提高抗輻射干擾的能力。 使用屏蔽電纜的地方要把電纜的屏蔽層真正利用起來（與地或屏蔽殼體可靠連接），并通過實驗確定正確的、行之有效的連接方式。對復雜且工作頻率很高或高頻噪聲分量較大的系統，或者對內部兼容性要求高的系統，層、框之間采用金屬絲網或金屬箱體進行屏蔽。

 一般功能單板的電磁干擾發射和傳導干擾發射嚴格達到A類ITE產品的要求，工控機、二次電源等盡可能達到B類ITE產品的要求。 整機結構上要在合適位置設計布置靜電泄放插口并予以警示。 整機保護地連接處不涂絕緣漆，要保證與保護地電纜可靠的金屬接觸，避免僅僅依靠螺絲螺紋做接地連接的錯誤方式。 PCB板布置要遵循有關準則。 6、抗振動設計 在電路單板上對體積較大、重量大于14克的立式布置器件采取加固措施。

對尺寸較大的單板和因板上元器件高度原因而需要占用兩個以上槽位，并且板重量較大的單板采用縱、橫硬質金屬條進行加固（也可采取其它合適的方式），以防翹變。 單板插進機框后要有鎖定措施。 整機的門、抽屜要有鎖定措施，要保證在任何傾斜度時不會自開（雖然這不是設備運行狀態的要求，但我們的產品現在整機運輸，必須達到這個要求）。 所有采用螺釘連接的地方要使用彈墊或花墊，以對振動和沖擊進行緩沖。 接插件連接處必要時采取固定措施（使用帶鎖扣的接插件）以防接觸不良或松動。