电磁兼容与可靠性设计.

成都理工大学信息工程学院电磁兼容与可靠性设计•为什么要学该课程？电磁兼容与可靠性的关系？成都理工大学信息工程学院可靠性产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。产品可靠性定义的要素是三个“规定”。“规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件。“规定时间”是指产品规定了的任务时间。“规定功能”是指产品规定了的必须具备的功能及其技术指标。成都理工大学信息工程学院产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态，称之为故障。（即产品丧失了规定的功能）故障的表现形式，叫做故障模式。引起故障的物理化学变化等内在原因，称故障机理。不可修产品（如电子元器件）：失效产品的故障按其故障的规律可以分为两大类：偶然故障渐变故障成都理工大学信息工程学院寿命剖面产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。它包含一个或多个任务剖面。通常把产品的寿命剖面分为后勤和使用两个阶段。寿命剖面内的事件采购包装运输贮存检测运输发送使用贮存检测运输任务剖面运输维修运输报废后勤阶段使用阶段成都理工大学信息工程学院任务剖面产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。任务剖面一般应包括：产品的工作状态；维修方案；产品工作的时间与顺序；产品所处的环境(外加的与诱发的)的时间与顺序；任务成功或致命故障的定义。成都理工大学信息工程学院基本可靠性产品在规定的条件下，无故障的持续时间或概率。在没有后勤保障情况下系统工作能力的度量。考虑所有需要维修保障的故障。采用冗余，降低基本可靠性。通常等于或低于任务可靠性。成都理工大学信息工程学院任务可靠性产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力系统完成任务能力的度量只考虑引起任务失败的故障通过冗余提高任务可靠性通常高于基本可靠性成都理工大学信息工程学院固有可靠性产品在设计、制造过程中赋予的固有属性。产品的开发者可以控制。使用可靠性产品在实际使用过程中表现出的可靠性。除固有可靠性的影响因素外，还要考虑安装、操作使用、维修保障等方面因素的影响。成都理工大学信息工程学院可靠度产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率称为可靠度。依定义可知，系统的可靠度是时间的函数，表示为：式中，R(t)——可靠度函数；ξ——产生故障前的工作时间；t——规定的时间)()(tPtR成都理工大学信息工程学院依定义可知，可靠度函数R(t)为：式中，N0——t=0时，在规定条件下进行工作的产品数；r(t)——在0到t时刻的工作时间内，产品的累计故障数。00)()(NtrNtR成都理工大学信息工程学院不可靠度产品在规定的条件下和规定的时间内，丧失规定功能的概率称为累积故障概率（又叫不可靠度）。依定义可知，产品的累积故障概率是时间的函数，即显然，以下关系成立：0)()(NtrtF1)()(tFtR成都理工大学信息工程学院故障率函数故障率工作到某时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，称之为产品的故障率。用数学符号表示为：式中，(t)——故障率；dr(t)——t时刻后，dt时间内故障的产品数；Ns(t)——残存产品数，即到t时刻尚未故障的产品数。dttNtdrts)()()(成都理工大学信息工程学院可按下式进行工程计算：式中，Δr(t)——t时刻后，Δt时间内故障的产品数；Δt——所取时间间隔；Ns(t)——残存产品数。对于低故障率的元部件常以10-9/h为故障率的单位，称之为菲特（Fit）。ttNtrts)()()(成都理工大学信息工程学院平均故障前时间（MTTF）设N0个不可修复的产品在同样条件下进行试验，测得其全部故障时间为t1,t2,…tN0。其平均故障前时间（用符号TTF表示）为：当N0趋向无穷时，TTF为产品故障时间这一随机变量的数学期望，因此，当产品的寿命服从指数分布时，00)()(dttRdtttfTTF10dteTtTF0101NiiTFtNT成都理工大学信息工程学院平均故障间隔时间（MTBF）一个可修系统在使用过程中发生了N0次故障，每次故障修复后又重新投入使用，测得其每次工作持续时间为t1,t2,…,tN0。其平均故障间隔时间为式中，T——产品总的工作时间。显然，系统的平均故障间隔时间与系统的维修效果有关。01001NTtNTNiiBF成都理工大学信息工程学院问题某微型计算机的MTBF=10000小时，是否意味着该计算机每工作10000小时才出一次故障？有一计算机系统的MTBF为2000h，试求失效（故障）率和可靠性。越小、MTBF越长的机器就是好机器。可靠性已经成为衡量计算机性能的主要指标之一，并且通常用MTBF或MTTF来直接表示其可靠性的大小。成都理工大学信息工程学院可维性对于可修复产品，只考虑其发生故障的概率显然是不合适的，还应考虑被修复的可能性。维修（Service）是指为保持和恢复产品完成规定的功能而采取的技术和管理措施。所谓“可维性”（Serviceability），是指系统在给定时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力。它通常是从判定故障到排除故障所需要的时间，包括故障诊断、故障定位、系统校正和恢复等时间，是系统维护效率的度量。成都理工大学信息工程学院可维性“可保持性”（Maintainability）是指系统在给定时间内，可隔离故障或修复的概率。它表征了系统可以正常运行的概率。它是自动故障处理系统中的一个重要指标，也是反映维护人员对系统保养好坏程度的一个重要指标。维修率是指修理时间已达到某一时刻，但尚未修复的产品，在该时刻后的单位时间内完成修理的概率，通常用μ表示。成都理工大学信息工程学院可维性平均修复时间（MTTR）是指产品修复时间的平均值。修复时间是随机变量。MTTR可理解为产品修复时间的数学期望。当维修时间服从指数分布时，系统的MTTR和MTBF有关。从提高系统可用性角度来看，提高MTTR比减少故障数更为有效。10dtetMTTRt成都理工大学信息工程学院可用性可用性（Availability）也叫有效性或利用率。它是可维系统在某时刻具有或维持规定功能的能力，即系统在执行任务的任意时刻能正常工作的概率。对可修复系统，当考虑到可靠性和维修性时，综合评价的尺度就是有效度A(t)，它表示产品在规定条件下保持规定功能的能力。可用下式计算：MTBF反映了可靠性的含义；MTTR反映维修活动的一种能力。两者结合即为固有有效度A(t)。MTTRMTBFMTBFtA)(成都理工大学信息工程学院系统系统是由相互作用和相互依赖的若干单元结合成的具有特定功能的有机整体。“系统”、“单元”相对概念——可以是按产品层次划分：零部件、组件、设备、分系统、系统、装备中任何相对的两层“系统”包含“单元”，其层次高于“单元”产品可以指任何层次，也可视为系统或单元。进行系统可靠性设计成都理工大学信息工程学院现代质量观认为，质量包含了系统的性能特性、专门特性、经济性、时间性、适应性等方面，是系统满足使用要求的特性总和。大型工程系统（如军事装备等）的研制过程可分为（战术）技术指标论证、方案论证及确认、工程研制（包括初步设计与详细设计阶段）、设计定型、生产定型五个阶段。成都理工大学信息工程学院浴盆曲线：大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，故称之为浴盆曲线。由于产品故障机理的不同，产品的故障率随时间的变化大致可以分为3个阶段：t使用寿命早期故障偶然故障耗损故障AB规定的故障率维修后故障率下降(t)成都理工大学信息工程学院早期故障阶段。产品投入使用的初期，故障率较高，且存在迅速下降的特征。该阶段产品的故障主要是设计和制造中的缺陷，投入使用后很容易暴露出来。偶然故障阶段。产品投入使用一段时间后，故障率可降到一个较低的水平，且基本处于平稳状态，可近似认为故障率是常数。耗损故障阶段。产品投入使用相当长的时间后，进入产品的耗损故障期，特点是故障率迅速上升，很快出现大批量的产品故障或报废。成都理工大学信息工程学院可靠性分配系统可靠性分配就是将使用方提出的，在系统设计任务书(或合同)中规定的可靠性指标，自上而下，由大到小，从整体到局部，逐步分解，分配到各分系统，设备和元器件。返回成都理工大学信息工程学院可靠性分配的目的可靠性分配的目的是使各级设计人员明确其可靠性设计要求，根据要求估计所需的人力、时间和资源，并研究实现这个要求的可能性及办法。如同性能指标一样，是设计人员在可靠性方面的一个设计目标。成都理工大学信息工程学院可靠性预计可靠性预计的概念可靠性预计是在设计阶段对系统可靠性进行定量的估计，是根据历史的产品可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境等因素估计组成系统的部件及系统的可靠性。系统的可靠性预计是根据组成系统的元件、部件的可靠性来估计的，是一个自下而上，从局部到整体、由小到大的一种系统综合过程。成都理工大学信息工程学院可靠性预计与分配都是可靠性设计分析的重要环节，两者相辅相成，相互支持。前者是自下而上的归纳综合过程，后者是自上而下的演绎分解过程。分配结果是可靠性预计的依据和目标，预计的相对结果是可靠性分配与指标调整的基础。设计各阶段均相互交替反复进行多次。成都理工大学信息工程学院电磁兼容EMC（ElectromagneticCompatibility）电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。电磁兼容成都理工大学信息工程学院因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；(不干扰其它电子产品)另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性（不被其他电子产品干扰）。成都理工大学信息工程学院电磁干扰EMI(ElectroMagneticInterference)所谓“干扰”，指设备受到干扰后性能降低以及对设备产生干扰的干扰源这二层意思。，一切不希望有的东西都可称做“干扰”。其次是“电磁”。电荷如果静止，称为静电。当不同的电位向一致移动时，便发生了静电放电，产生电流，电流周围产生磁常如果电流的方向和大小持续不断变化就产生了电磁波。成都理工大学信息工程学院产生电磁干扰的条件1.突然变化的电压或电流，即dV/dt或dI/dt很大2.辐射天线或传导导体设计中，遇到电压、电流的突然变化，需要考虑潜在的电磁干扰问题成都理工大学信息工程学院常见干扰源雷电NEMP脉冲电路ESD无线通信感性负载通断直流电机、变频调速器成都理工大学信息工程学院电磁辐射对人体的影响1、生物体对电磁辐射能量的吸收电离辐射和非电离辐射电磁辐射的量子能量w＝hf，其中h＝6.62×10-34J·S是普朗克常数，f是频率（Hz）f＞3×1015Hz量子的能量可以使原子和分子电离――电离辐射，例如X射线辐射、γ射线辐射。f＜3×1015Hz量子的能量不能使原子和分子电离――非电离辐射。电磁干扰和电磁污染属于非电离辐射。成都理工大学信息工程学院谐振吸收当辐射频率与生物体（或某些器官，例如眼睛、大脑……）的固有频率谐振时，吸收最强。人体固有谐振频率的范围大约为30M～3000MHz*，一般成年人的谐振吸收频率约为400MHz。成都理工大学信息工程学院3、电磁辐射对人体的影响目前，一般认为电磁辐射对人体的影响包括三个方面①、热效应辐射功能密度S＞10mW/cm2（E＞110V/m），人体吸收的辐射能转化为热量，超过人体体温调节能力时，会引起人体（或局部组织）体温明显升高,或引起生理功能紊乱(人的体温每升高一度,基础代谢增加约5~14%，组织中的氧的需求量增加50~100%）。热效应首先损伤人体上对热比较敏感的器官，例如眼睛、大脑、男性生殖器