Методика оценки интенсивности отказов функциональных узлов интегральных схем

Барышников А.В.

(ФГУП НИИ “Автоматики”)

1. Введение

Проблема прогнозирования надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) актуальна практически для всех современных технических систем. Учитывая, что РЭА включает в себя электронные компоненты, встает задача разработки методик, позволяющих оценивать интенсивности отказов (ИО) этих компонентов. Нередко технические требования по надежности, предъявляемые в технических заданиях (ТЗ) на разработку РЭА, входят в противоречие с требованиями, предъявляемыми к весам и габаритам РЭА, что не позволяет выполнить требования ТЗ за счет, например, дублирования.

Для ряда видов РЭА повышенные требования по надежности предъявляются к контролирующим устройствам, размещенным в одном кристалле с основными функциональными узлами аппаратуры. Например, к схеме сложения по модулю 2, обеспечивающей контроль работы основного и дублирующего узлов какого-либо блоков аппаратуры. Повышенные требования по надежности могут предъявлять также к областям памяти, в которых хранится информация, необходимая для выполнения алгоритма работы аппаратуры.

Предлагаемая методика позволяет оценить ИО разных функциональных областей микросхем. В микросхемах памяти: оперативных запоминающих устройствах (ОЗУ), постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ), репрограммируемых запоминающих устройствах (РПЗУ), это интенсивности отказов накопителей, дешифраторов и схем управления. В схемах микроконтроллеров и микропроцессоров методика позволяет определить ИО областей памяти, арифметического логического устройства, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и т.д. В программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), ИО основных функциональных узлов, из которых состоит ПЛИС: конфигурируемый логический блок, блок входа/выхода, области памяти, JTAG и т.д. Методика также позволяет определить ИО одного вывода микросхемы, одной ячейки памяти, а, в некоторых случаях, и ИО отдельных транзисторов.

2. Назначение и область применения методики

Методика предназначена для оценки эксплуатационной ИО λ э разных функциональных узлов микросхем: микропроцессоров, микроконтроллеров, микросхем памяти, программируемых логических интегральных схемах. В частности, внутри кристальных областей ЗУ, а также ИО ячеек накопителей ЗУ микросхем зарубежного производства, в том числе микропроцессоров, ПЛИС. К сожалению, отсутствие информации об ИО корпусов не позволяет применить методику для отечественных микросхем.

ИО, определенные по данной методике, являются исходными данными для расчета надежностных характеристик при проведении инженерных исследований аппаратуры.

Методика содержит алгоритм расчета ИО, алгоритм проверки полученных результатов расчета, примеры расчета ИО функциональных узлов микропроцессора, схем памяти, программируемых логических схем.

3. Допущения методики

Методика основана на следующих допущениях :

Отказы элементов независимы;

ИО микросхемы постоянна.

Дополнительно к этим допущениям будет показана возможность разделения ИО микросхем на ИО корпуса и интенсивность отказов кристалла.

4. Исходные данные

1.Функциональное назначение микросхемы: микропроцессор, микроконтроллер, память, ПЛИС и т.д.

2.Технология изготовления микросхемы: биполярная, КМОП.

3.Значение интенсивности отказов микросхемы.

4.Блок-схема микросхемы.

5.Тип и объем накопителей схем памяти.

6. Количество выводов корпуса.

5.1. По известным значениям ИО микросхемы определяются ИО корпуса и кристалла.

5.2. По найденному значению ИО кристалла, для микросхемы памяти, исходя из ее типа и технологии изготовления, рассчитываются ИО накопителя, схем дешифраторов, схем управления. Расчет основан на стандартном построении электрических схем, обслуживающих накопитель.

5.3. Для микропроцессора или микроконтроллера, используя результаты расчета, полученные в предыдущем пункте, определяются ИО областей памяти. Разность между ИО кристалла и найденными значениями ИО областей памяти составит значение ИО оставшейся части микросхемы.

5.4. По известным значениям ИО кристаллов для семейства ПЛИС, их функциональному составу и количеству однотипных узлов, составляется система линейных уравнений. Каждое из уравнений системы составляется для одного типономинала из семейства ПЛИС. Правая часть каждого из уравнений системы представляет собой сумму произведений значений ИО функциональных узлов определенного типа на их количество. Левая часть каждого из уравнений системы – значение ИО кристалла конкретного типономинала ПЛИС из семейства.

Максимальное количество уравнений в системе равно количеству ПЛИС в семействе.

Решение системы уравнений позволяет получить значения ИО функциональных узлов ПЛИС.

5.5. На основе результатов расчета, полученных в предыдущих пунктах, могут быть найдены значения ИО отдельной ячейки памяти, вывода микросхемы или транзистора конкретного узла блок-схемы, если известна схема электрическая принципиальная узла.

5.6. Проверка результатов расчета для микросхемы памяти производится сравнением значения ИО для другой микросхемы памяти, полученное стандартным методом, со значением ИО этой микросхемы рассчитанное с использованием данных полученных в п.5.2 этого раздела.

5.7. Проверка результатов расчета для ПЛИС производится расчетом ИО кристалла одного из типономиналов рассматриваемого семейства ПЛИС, который не входил в систему уравнений. Расчет проводится с использованием значений ИО функциональных узлов, полученных в п.5.4 этого раздела, и сравнением полученного значения ИО ПЛИС с значением ИО, рассчитанным с использованием стандартных методов.

6. Анализ модели прогнозирования интенсивности отказов микросхем с точки зрения возможности разделения интенсивности отказов микросхемы на сумму интенсивностей отказов кристалла и корпуса

ИО кристалла, корпуса и внешних выводов микросхемы определяются из математической модели прогнозирования ИО зарубежных интегральных схем для каждого типономинала ИС.

Проанализируем слагаемые математической модели для расчета эксплуата-

ционной ИО λэ цифровых и аналоговых интегральных схем зарубежного производства:

λэ = (С 1 π т +С 2 π E) π Q π L, (1),

где: C 1 - составляющая ИО ИС, зависящая от степени интеграции;

π т - коэффициент, учитывающий перегрев кристалла относительно окружающей среды;

C 2 - составляющая ИО ИС, зависящая от типа корпуса;

- π Е - коэффициент, учитывающий жесткость условий эксплуатации РЭА (группу эксплуатации аппаратуры);

- π Q - коэффициент, учитывающий уровень качества изготовления ЭРИ;

- π L -коэффициент, учитывающий отработанность технологического процесса изготовления ЭРИ;

Это выражение справедливо для микросхем, изготовленных как по биполяр-ной, так и по МОП технологии, и включает в себя цифровые и аналоговые схемы, программируемые логические матрицы и ПЛИС, микросхемы памяти, микропро-цессоры.

Математическая модель прогнозируемой ИО интегральных микросхем, за первоисточник которой взят стандарт министерства обороны США , представляет собой сумму двух слагаемых. Первое слагаемое характеризует отказы, определяемые степенью интеграции кристалла и электрическим режимом работы микросхемы (коэффициенты C 1, π т), второе слагаемое характеризует отказы, связанные с типом корпуса, количеством выводов корпуса и условиями эксплуатации (коэффициенты C 2, - π Е).

Такое разделение объясняется возможностью выпуска одной и той же микросхемы в разных типах корпусов, существенно различающихся своей надежностью (стойкостью к вибрациям, герметичностью, гигроскопичностью и т.п.). Обозначим первое слагаемое как ИО определяемую кристаллом (λкр), а второе - корпусом (λкорп).

Из (1) получим:

λкр = С 1 π т π Q π L, λкорп = С 2 π E π Q π L (2)

Тогда ИО одного вывода микросхемы равна:

λ 1Выв = λкорп /N Выв = С 2 π E π Q π L /N Выв,

где N Выв - количество выводов в корпусе интегральной схемы.

Найдем отношение ИО корпуса к эксплуатационной ИО микросхемы:

λкорп / λэ = С 2 π E π Q π L / (С 1 π т +С 2 π E) π Q π L = С 2 π E /(С 1 π т +С 2 π E) (3)

Проанализируем это выражение с точки зрения воздействия на него типа корпуса, количества выводов, перегрева кристалла за счет мощности, рассеиваемой в кристалле, жесткости условий эксплуатации.

6.1. Влияние жесткости условий эксплуатации

Разделив числитель и знаменатель выражения (3) на коэффициент π E получим:

λкорп / λэ = С 2 /(С 1 π т / π E + С 2) (4)

Анализ выражения (4) показывает, что процентное соотношение ИО корпуса и эксплуатационной ИО микросхем зависит от группы эксплуатации: чем жестче условия эксплуатации аппаратуры (больше значение коэффициента π E), тем большая доля отказов приходится на отказы корпуса (знаменатель в уравнении 4 уменьшается) и отношение λкорп / λэ стремиться к 1.

6.2. Влияние типа корпуса и количества выводов корпуса

Разделив числитель и знаменатель выражения (3) на коэффициент С 2 получим:

λкорп / λэ = π E /(С 1 π т /С 2 + π E) (5)

Анализ выражения (5) показывает, что процентное соотношение ИО корпуса и эксплуатационной ИО микросхем зависит от соотношения коэффици­ентов С 1 и С 2 , т.е. от соотношения степени интеграции микросхемы и параметров корпуса: чем больше количество элементов в микросхе­ме (больше коэффициент С 1), тем меньшая доля отказов приходится на отказы корпуса (отношение λкорп / λэ стремиться к нулю) и чем больше количество выводов в корпусе, тем больший вес приобретают отказы корпуса (отношение λкорп / λэ стремиться к 1).

6.3. Влияние мощности, рассеиваемой в кристалле

Из выражения (3) видно, что с увеличением π т (коэффициент, отражающий перегрев кристалла за счет мощности, рассеиваемой в кристалле), значение знаменателя уравнения увеличивается, и, следовательно, доля отказов приходящаяся на корпус уменьшается и отказы кристалла приобретают больший относительный вес.

Вывод:

Анализ изменения значения отношения λкорп / λэ (уравнение 3) в зависимости от типа корпуса, количества выводов, перегрева кристалла за счет мощности, рассеиваемой в кристалле, и жесткости условий эксплуатации показал, что первое слагаемое в уравнении (1) характеризует эксплуатационную ИО кристалла, второе – эксплуатационную ИО корпуса и уравнения (2) могут быть использованы для оценки эксплуатационной ИО непосредственно полупроводникового кристалла, корпуса и ИО выводов корпуса. Значение эксплуатационной ИО кристалла может быть использована как исходный материал для оценки ИО функциональных узлов микросхем.

7. Расчет интенсивности отказов ячейки памяти запоминающих устройств, входящих в состав микросхем памяти, микропроцессоров и микроконтроллеров.

Для определения ИО, приходящейся на бит информации полупроводниковых ЗУ, рассмотрим их состав. В состав полупроводникового ЗУ любого типа входят , :

1)Накопитель

2)Схема обрамления:

o адресная часть (строчные и столбцовые дешифраторы)

o числовая часть (усилители записи и считывания)

o блок местного управления - осуществляет координацию работы всех узлов в режимах хранения, записи, регенерации (динамические ЗУ) и стирания информации (РПЗУ).

7.1. Оценка количества транзисторов в различных областях ЗУ.

Рассмотрим каждую составляющую ИО ЗУ. Общее значение ИО ЗУ для микросхем разного типа с разным объемом накопителя можно определить, используя . ИО корпуса и кристалла рассчитываются в соответствии с разделом 5 настоящей работы.

К сожалению, в технических материалах на зарубежные микросхемы памяти отсутствует общее количество элементов, входящих в микросхему, а приводится только информационная емкость накопителя. Учитывая тот факт, что каждый тип ЗУ содержит стандартные блоки, оценим количество элементов, входящих в микросхему памяти, исходя из объема накопителя. Для этого рассмотрим схемотехнику построения каждого блока ЗУ.

7.1.1. Накопитель ОЗУ

В приведены электрические принципиальные схемы запоминающих ячеек ОЗУ, выполненных по ТТЛШ, ЭСЛ, МОП и КМОП технологиям. В таблице 1 приведено количество транзисторов, из которых строиться одна ячейка памяти (1 бит информации ОЗУ).

Таблица 1. Количество транзисторов в одной ячейке памяти ЗУ

Тип ОЗУ	Технология изготовления
		ТТЛШ	ЭСЛ	МОП	КМОП
Статические	Количество элементов				4, 5, 6
Динамические

7.1.2. Накопители ПЗУ и ППЗУ

В биполярных ПЗУ и ППЗУ запоминающий элемент накопителя реализуется на основе диодных и транзисторных структур . Они выполняются в виде эмиттерных повторителей на n - p - n и p - n - p транзисторах, переходах коллектор-база, эмиттер-база, диодах Шоттки. В качестве запоминающего элемента в схемах, изготавливаемых по МОП и КМОП технологиям, используются p и n -канальные транзисторы. Запоминающий элемент состоит из 1 транзистора или диода. Общее количество транзисторов в накопителе ПЗУ или ППЗУ равно информационной емкости ЗУ БИС.

7.1.3. Накопитель РПЗУ

Информация, записанная в РПЗУ, хранится от нескольких до десятков лет. Поэтому РПЗУ часто называют энергонезависимой памятью. В основе механизма запо-

минания и хранения информации лежат процессы накопления заряда при записи, сохранении его при считывании и при выключении электропитания в специальных МОП транзисторах. Запоминающие элементы РПЗУ строятся, как правило, на двух транзисторах.

Таким образом, количество транзисторов в накопителе РПЗУ равно информационной емкости РПЗУ умноженной на 2.

7.1.4. Адресная часть

Адресная часть ЗУ строится на основе дешифраторов (декодеров). Они позволяют определить N -разрядное входное двоичное число путем получения единичного значения двоичной переменной на одном из выходов устройства. Для построения интегральных схем принято использовать линейные дешифраторы или комбинацию линейных и прямоугольных дешифраторов. Линейный дешифратор имеет N входов и 2 N логических схем “И”. Найдем количество транзисторов необходимых для построения таких дешифраторов в КМОП базисе (как наиболее часто используемым для создания БИС). В таблице 2 приведено количество транзисторов необходимых для построения дешифраторов на разное количество входов.

Таблица 2. Количество транзисторов, необходимых для построения дешифраторов

Кол-во Входов	Адресные инверторы		Схемы “И”		Суммарное количество транзисторов в де-шифраторе 2* N *2 N +2* N
	Кол-во Инверторов	Кол-во Транзисторов	Кол-во cхем	Кол-во транзисторов 2* N *2 N
				4*4=16	16+4=20
				6*8=48	48+6=54
				8*16=128	128+8=136
				10*32 = 320	320+10 = 330
				64*12 = 768	768+12 = 780
				128*14=1792	1792+14=1806
				256*16=4096	4096+16=4112
				512*18=9216	9216+18=9234
			1024	1024*20=20480	20480+20=20500

Для линейных дешифраторов разрядность дешифруемого числа не превышает 8-10. Поэтому при увеличении количества слов в ЗУ более 1К используют модульный принцип построения ЗУ.

7.1.5. Числовая часть

(усилители записи и считывания)

Эти схемы предназначены для преобразования уровней считываемых сигналов в уровни выходных сигналов логических элементов конкретного типа и увеличения нагрузочной способности. Как правило, они выполняются по схеме с открытым коллектором (биполярные) или с тремя состояниями (КМОП). Каждая из выходных схем может состоять из нескольких (двух или трех) инверторов. Максимальное количество транзисторов в этих схемах при максимальной разрядности микропроцессора 32 составляет не более 200.

7.1.6. Блок местного управления

В блок местного управления, в зависимости от типа ЗУ, могут входить строчные и столбцовые буферные регистры, адресные мультиплексоры, блоки управления регенерацией в динамических ЗУ, схемы стирания информации.

7.1.7. Оценка количества транзисторов в различных областях ЗУ

Количественное соотношение транзисторов ОЗУ, входящих в накопитель, дешифратор и блок местного управления приблизительно равно: 100:10:1 , что составляет 89%, 10% и 1% соответственно. Количество транзисторов в ячейке накопителя ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ приведено в таблице 1. Пользуясь данными этой таблицы, процентными соотношениями элементов, входящих в различные области ОЗУ, а также предполагая, что количество элементов в дешифраторе и блоке местного управления для одного и того же объема накопителя разных типов ЗУ остается приблизительно постоянным, можно оценить соотношение транзисторов входящих в накопитель, дешифратор и блок местного управления разных типов ЗУ. В таблице 3 приведены результаты такой оценки.

Таблица 3 Количественное соотношение транзисторов в разных функциональных областях ЗУ

	Количественное соотношение элементов различных областей ЗУ
	Накопитель	Дешифратор	Блок местного управления
ПЗУ, ППЗУ

Таким образом, зная объем накопителя и ИО кристалла ЗУ, можно найти ИО накопителя, адресной части, числовой части, блока местного управления, а также ИО ячейки памяти и транзисторов, входящих в состав схем обрамления.

8. Расчет интенсивности отказов функциональных узлов микропроцессоров и микроконтроллеров

В разделе приведен алгоритм расчета ИО функциональных узлов микросхем микропроцессоров и микроконтроллеров. Методика применима для микропроцессоров и микроконтроллеров с разрядностью не более 32 бит.

8.1. Исходные данные для расчета интенсивности отказов

Ниже приведены исходные данные, необходимые для расчета ИО микропроцессоров, микроконтроллеров и частей их электрических схем. Под частью электрической схемы будем понимать как функционально законченные узлы микропроцессора (микроконтроллера), а именно, разные виды памятей (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ, АЦП, ЦАП и т.д.), так и отдельные вентили или даже транзисторы.

Исходные данные

Разрядность микропроцессора или микроконтроллера;

Технология изготовления микросхемы;

Вид и организация внутри кристальных ЗУ;

Информационная ёмкость ЗУ;

Потребляемая мощность;

Тепловое сопротивление кристалл – корпус или кристалл – окружающая среда;

Тип корпуса микросхемы;

Количество выводов корпуса;

Повышенная рабочая температура окружающей среды.

Уровень качества изготовления.

8.2. Алгоритм расчета интенсивности отказов микропроцессора (микроконтроллера) и функциональных узлов микропроцессора (микроконтроллера)

1.Определить эксплуатационную ИО микропроцессора или микроконтроллера (λэ мп), используя исходные данные с помощью одной из программ автоматизированного расчета: “АСРН”, “Асоника-К” или с помощью стандарта “Military HandBook 217F ”.

Примечание: далее все расчеты и комментарии будут приводиться с точки зрения применения АСРН, т.к. методологии использования и содержание программ, “Асоника-К” и стандарта “Military HandBook 217F ” имеют много общего.

2. Определить значение ИО ЗУ, входящих в состав микропроцессора (λ Э ОЗУ, λ Э ПЗУ, ППЗУ, λ Э РПЗУ) , предполагая, что каждое ЗУ представляет собой отдельную микросхему в своем корпусе.

λ Э ОЗУ = λ ОЗУ + λкорп,

λ Э ПЗУ, ППЗУ = λ ПЗУ, ППЗУ + λкорп,

λ Э РПЗУ = λ РПЗУ + λкорп,

где λ Э – эксплутационные значения ИО разных типов ЗУ, λкорп,– ИО корпусов для каждого типа ЗУ: λ ОЗУ, λ ПЗУ,ППЗУ, λ РПЗУ – ИО ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ без учета корпуса, соответственно.

Поиск исходных данных для расчета эксплуатационных значений ИО разных типов ЗУ производится по технической информации (Data Sheet ) и каталогам интегральных схем. В указанной литературе необходимо найти ЗУ, тип которых (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ), объем накопителя, организация и технология изготовления совпадают или близки к ЗУ входящих в состав микропроцессора (микроконтроллера). Найденные технические характеристики микросхем памяти используются в АСРН для расчета эксплуатационной ИО микросхем ЗУ. Мощность, потребляемая ЗУ, выбирается исходя из электрического режима работы микропроцессора (микроконтроллера).

3. Определить значения ИО внутри кристальных областей микропроцессора (микроконтроллера),ЗУ и АЛУ без учета корпуса: λкр мп, λ ОЗУ, λ ПЗУ,ППЗУ, λ РПЗУ, . λ АЛУ

ИО внутри кристальных областей микропроцессора, ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ определяются из соотношения: λкр = С 1 π т π Q π L.

ИО АЛУ и части кристалла без схем памяти определяется из выражения:

. λ АЛУ = λкр мп - λ ОЗУ - λ ПЗУ,ППЗУ - λ РПЗУ

Значения ИО других функционально законченных частей микропроцессора (микроконтроллера) находятся аналогичным образом.

4. Определить ИО накопителей внутри кристальных ЗУ: λ Н ОЗУ, λ Н ПЗУ,ППЗУ, λ Н РПЗУ.

На основании данных таблицы 3 можно выразить процентное соотношение количества транзисторов в разных функциональных областях ЗУ, предполагая, что общее количество транзисторов в ЗУ равно 100%. В таблице 4 приведено это процентное соотношение транзисторов, входящих в внутри кристальные ЗУ разных типов.

На основании процентного соотношения количества транзисторов, входящих в разные функциональные области ЗУ и найденного значения ИО внутри кристальной части ЗУ, определяются ИО функциональных узлов.

Таблица 4. Процентное соотношение транзисторов

	Количественное соотношение транзисторов функциональных областей ЗУ (%)
	Накопитель	Дешифратор	Блок местного управления
ПЗУ, ППЗУ

λ Н ОЗУ = 0,89*λ ОЗУ;

λ Н ПЗУ,ППЗУ = 0,607*λ ПЗУ,ППЗУ;

λ Н РПЗУ = 0,75* λ РПЗУ,

где: λ Н ОЗУ, λ Н ПЗУ,ППЗУ, λ Н РПЗУ – ИО накопителей ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ соответствен-но.

8.3. Расчет интенсивности отказов функциональных узлов ЗУ: дешифраторов, адресной части, схем управления.

Используя данные о соотношении количества транзисторов в каждой части ЗУ (таблица 4), можно найти интенсивности отказов дешифраторов, адресной части и схем управления ЗУ. Зная количество транзисторов в каждой части ЗУ можно найти интенсивность отказов группы или отдельных транзисторов ЗУ.

9. Расчет интенсивности отказов функционально законченных узлов микросхем памяти

В разделе приведен алгоритм расчета ИО функционально законченных узлов микросхем запоминающих устройств. Методика применима для микросхем памяти приведенных в АСРН.

9.1. Исходные данные для расчета интенсивности отказов

Ниже приведены исходные данные, необходимые для расчета ИО функционально законченных узлов микросхем памяти. Под функционально законченными узлами микросхем памяти будем понимать накопитель, адресную часть, схему управления. Методика позволяет рассчитывать также ИО частей функциональных узлов, отдельных вентилей, транзисторов.

Исходные данные

Тип памяти: ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ;

Информационная ёмкость ЗУ;

Организация ОЗУ;

Технология изготовления;

Потребляемая мощность;

Тип корпуса микросхемы;

Количество выводов корпуса;

Тепловое сопротивление кристалл – корпус или кристалл – окружающая среда;

Группа эксплуатации аппаратуры;

Повышенная рабочая температура окружающей среды;

Уровень качества изготовления.

9.2. Алгоритм расчета интенсивности отказов схем памяти и функционально законченных узлов схем памяти

1, Определить эксплуатационную ИО микросхемы памяти (λэ п), используя исходные данные с помощью одной из программ автоматизированного расчета: “АСРН”, “Асоника-К” или с помощью стандарта “Military HandBook 217F ”.

2. Определить значения ИО кристалла ЗУ без корпуса λкр зу.

λкр зу= С 1 π т π Q π L.

3. Расчет ИО накопителя внутри кристальных ЗУ и ИО функциональных узлов проводить в соответствии с разделом 8.2.

10. Расчет интенсивности отказов функционально законченных узлов программируемых логических интегральных схем и базовых матричных кристаллов

Каждое семейство ПЛИС состоит из набора типономиналов микросхем одинаковой архитектуры. Архитектура кристалла построена на основе использования одинаковых функциональных узлов нескольких типов. Микросхемы разных типономиналов внутри семейства отличаются друг от друга типом корпуса и количеством функциональных узлов каждого типа: конфигурируемый логический блок, блок входа/выхода, память, JTAG и тому подобное.

Следует отметить, что кроме конфигурируемых логических блоков и блоков входа/выхода каждая ПЛИС содержит матрицу ключей, формирующих связи между элементами ПЛИС. Учитывая тот факт, что названные области распределены равномерно по кристаллу, кроме блоков вход/выход, которые размещены по периферии, можно считать, что матрица ключей является частью конфигурируемых логических блоков и блоков входа/выхода.

Для расчета значений интенсивностей отказов функциональных узлов необходимо составить систему линейных уравнений. Система уравнений составляется для каждого семейства ПЛИС.

Каждое из уравнений системы представляет собой равенство, в левой части которого записывается значение ИО кристалла для конкретного типономинала микросхемы из выбранного семейства. Правая часть представляет собой сумму произведений количества функциональных узлов n категории i на ИО этих узлов λni .

Ниже приведен общий вид такой системы уравнений.

λ э a = a 1 λ 1 + a 2 λ 2 + …+a n λ n

λ э b = b 1 λ 1 + b 2 λ 2 + …+b n λ n

……………………………

λ э k = k 1 λ 1 + k 2 λ 2 + …+k n λ n

где

λ э a , λ э b , … λ э k –– эксплуатационные ИО микросхем семейства ПЛИС (микросхем а, в, …к, соответственно),

a 1 , a 2 , …, a n –– количество функциональных узлов 1, 2, … n категории в микросхеме а, соответственно,

b 1 , b 2 , …, b n –– количество функциональных узлов категории 1, 2, … n , в микросхеме в, соответственно,

k 1 , k 2 , …, k n –– количество функциональных узлов категории 1, 2, … n , в микросхеме к, соответственно,

λ 1 , λ 2 , …, λ n –– ИО функциональных узлов категории 1, 2, … n , соответственно.

Значения эксплуатационных ИО микросхем λ э a , λ э b , … λ э k рассчитываются по АСРН, количество и тип функциональных узлов приведены в технической документации на ПЛИС (Data Sheet или в отечественной периодике).

Значения ИО функциональных узлов семейства ПЛИС λ 1 , λ 2 , …, λ n находятся из решения системы уравнений.

11. Проверка результатов расчета

Проверка результатов расчета для микросхемы памяти производится путем расчета ИО кристалла другой микросхемы памяти с помощью полученного значения ИО ячейки памяти и сравнением полученного значения ИО кристалла с значением ИО, рассчитанным с использованием стандартных методов (АСРН, Асоника, и т.д.).

Проверка результатов расчета для ПЛИС производится расчетом ИО кристалла ПЛИС другого типономинала из этого же семейства с помощью найденных значений ИО функциональных узлов ПЛИС и сравнением полученного значения ИО ПЛИС со значением ИО, рассчитанным с использованием стандартных методов (АСРН, Асоника, и т.д.).

12. Пример расчета интенсивностей отказов функциональных узлов ПЛИС и проверка результатов расчета

12.1. Расчет ИО функциональных узлов и выводов корпусов ПЛИС

Расчет ИО проведен на примере ПЛИС семейства Spartan , разработанного фирмой Xilinx .

Семейство Spartan состоит из 5 типономиналов ПЛИС, в состав которых входят матрица конфигурируемых логических блоков, блоки входа/выхода, логика граничного сканирования (JTAG ).

ПЛИС, входящие в семейство Spartan , отличаются количеством логических вентилей, количеством конфигурируемых логических блоков, количеством блоков входа/выхода, типами корпусов и количеством выводов корпусов.

Ниже приведен расчет ИО конфигурируемых логических блоков, блоков входа/выхода, JTAG для ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL .

Для проверки полученных результатов рассчитывается эксплуатационная ИО ПЛИС ХСS 30XL .. Эксплуатационная ИО ПЛИС ХСS 30XL рассчитывается с использованием значений ИО функциональных узлов ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL . Полученное значение ИО ПЛИС ХСS 30XL сравнивается со значением ИО, рассчитанным с применением АСРН. Также для проверки полученных результатов сравниваются значения ИО одного вывода для разных корпусов ПЛИС.

12.1.1. Расчет интенсивностей отказов функциональных узлов ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL

В соответствии с выше изложенным алгоритмом расчета для расчета ИО функциональных узлов ПЛИС необходимо:

Составить перечень и значения исходных данных для ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL , ХСS 30XL ;

Рассчитать эксплуатационные ИО ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL , ХСS 30XL (расчет проводится по с использованием исходных данных );

Составить систему линейных уравнений для кристаллов ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL ;

Найти решение системы линейных уравнений (неизвестными в системе уравнений являются ИО функциональных узлов: конфигурируемых логических блоков, блоков входа выхода, логики граничного сканирования);

Сравнить значения ИО кристалла ПЛИС ХСS 30XL , полученное в предыдущем пункте, с значением ИО кристалла, полученным с помощью АСРН;

Сравнить значения ИО вывода для разных корпусов;

Сформулировать вывод о справедливости проведенных расчетов;

При получении удовлетворительного совпадения интенсивностей отказов (от 10% до 20%) прекратить расчеты;

При большом расхождении результатов расчета провести коррекцию исходных данных.

В соответствии с исходными данными для расчета эксплуатационной ИО ПЛИС являются: технология изготовления, количество вентилей, потребляемая мощность, температура перегрева кристалла относительно окружающей среды, тип корпуса, количество выводов корпуса, тепловое сопротивление кристалл-корпус, уровень качества изготовления, группа эксплуатации аппаратуры, в которой применяется ПЛИС.

Все исходные данные, кроме потребляемой мощности, температуры перегрева кристалла и группы эксплуатации аппаратуры, приведены в . Потребляемая мощность может быть найдена либо в технической литературе, либо расчетом, либо измерением на плате. Температура перегрева кристалла относительно окружающей среды находится как произведение потребляемой мощности и теплового сопротивления кристалл-корпус. Группа эксплуатации аппаратуры приведена в технических условиях на аппаратуру.

Исходные данные для расчета эксплуатационной интенсивности отказов ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL , ХСS 30XL приведены в таблице 5.

Таблица 5. Исходные данные

Исходные	Типономинал ПЛИС
	ХСS 05XL	ХСS 10XL	ХСS 20XL	ХСS 30XL
Технология изготовления
Максимальное количество логи ческих вентилей
Количество кон-фигурируемых логич. блоков, N клб
Количество ис-пользуемых входов/выходов, N вх/вых
Тип корпуса	VQFP	TQFP	PQFP	PQFP
Количество выводов корпуса
Тепловое сопро-тивление крис-талл – корпус, 0 С/Вт
Уровень качест-ва изготовления	Коммерческий
Группа эксплуа-тации аппарату-ры

Для определения температуры перегрева кристалла относительно температуры окружающей среды необходимо найти потребляемую мощность для каждой микросхемы.

В большинстве КМОП интегральных схемах почти вся рассеиваемая мощность является динамической и определяется зарядом и разрядом внутренних и внешних нагрузочных емкостей. Каждый вывод в микросхеме рассеивает мощность в соответствии с своей емкостью, которая постоянна для каждого типа вывода, а частота, при которой переключается каждый вывод, может отличаться от тактовой частоты работы микросхемы. Общая динамическая мощность представляет собой сумму мощностей рассеиваемых на каждом выводе. Таким образом для расчета мощности нужно знать количество элементов, используемых в ПЛИС. В для семейства Spartan приведены значения тока потребления блоков вход/выход (12мА) при нагрузке 50 пФ, напряжении питания 3,3 и максимальной частоте работы ПЛИС 80МГц. Предполагая, что потребляемая мощность ПЛИС определяется количеством переключающихся блоков вход/выход (как наиболее мощных потребителей энергии), и в связи с отсутствием экспериментальных данных по мощности потребления, оценим мощность потребляемую каждой ПЛИС, учитывая, что одновременно переключается 50% блоков вход/выход при некоторой фиксированной частоте (при расчете частота была выбрана в 5 раз ниже максимальной).

В таблице 6 приведены значения мощности, потребляемой ПЛИС и температуры перегрева кристаллов относительно корпуса микросхемы.

Таблица 6. Мощность, потребляемая ПЛИС

	ХСS 05XL	ХСS 10XL	ХСS 20XL	ХСS 30XL
Потребляемая мощность, Вт
Температура перегрева кристалла, 0 С

Рассчитаем значения коэффициентов в уравнении (1):

λэ = (С 1 π т +С 2 π E) π Q π L

Коэффициенты π т, С 2 , π E , π Q , π L рассчитываются по АСРН. Коэффициенты С 1 находим с использованием аппроксимации значений коэффициента С 1 , приведенных в АСРН для ПЛИС разной степени интеграции.

Значения коэффициента С 1 для ПЛИС приведены в таблице 7.

Таблица 7. Значения коэффициента С 1

Количество вентилей в ПЛИС	Значения коэффициента С 1
До 500	0,00085
От 501 до1000	0,0017
От 2001 до 5000	0,0034
От 5001 до 20000	0,0068

Тогда для максимального количества вентилей ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL , ХСS 30XL получим значения коэффициента С 1 , 0,0034, 0,0048, 0,0068, 0,0078 соответственно.

Значения коэффициентов π т, С 2 , π E , π Q , π L , значения ИО кристаллов и корпусов, а также эксплуатационные значения ИО микросхем ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL , ХСS 30XL приведены в таблице 8.

Таблица 8. Эксплуатационные значения ИО ПЛИС

Обозначение и наименование коэффициентов	Значения коэффициентов
	ХСS 05XL	ХСS 10XL	ХСS 20XL	ХСS 30XL
π т	0,231	0,225	0,231	0,222
С 2	0,04	0,06	0,089	0,104
π E
π Q
π L
Интенсивность отказов кри-сталла, λкр = С 1 π т π Q π L *10 6 1/час	0,0007854	0,0011	0,00157	0,0018
Интенсивность отказов коруса, λкорп = С 2 π E π Q π L *10 6 1/час			0,445	0,52
Эксплуатационная интенсивность отказов ПЛИС λэ *10 6 1/час	0,2007854	0,3011	0,44657	0,5218

Найдем значения ИО конфигурируемых логических блоков λ клб, блоков вход/выход λ вх/вых и логики граничного сканирования λ JTAG для ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL . Для этого составим систему линейных уравнений: * S 05 XL - ИО кристалла, количество конфигурируемых логических блоков, количество блоков вход/выход для ПЛИС ХСS 05XL , соответственно;

λкр ХС S 10 XL ,N клб ХС S 10 XL , N вх/вы ХС S 10 XL - ИО кристалла, количество конфигурируемых логических блоков, количество блоков вход/выход для ПЛИС ХСS 10XL , соответственно;

λкр ХС S 20 XL , N клб ХС S 20 XL , N вх/вы ХС S 20 XL - ИО кристалла, количество конфигурируемых логических блоков, количество блоков вход/выход для ПЛИС ХСS 20XL , соответственно.

Подставив в систему уравнений значения ИО кристаллов, количество конфигурируемых логических блоков и блоков вход/выход, получим:0,00157*10 -6 = 400*λ клб + 160 * λ вх/вых + λ JTAG

Система трех линейных уравнений с тремя неизвестными имеет единственное решение:

λ клб = 5,16*10 -13 1/час; λ вх/вых = 7,58*10 -12 1/час; λ JTAG = 1,498*10 -10 1/час.

12.1.2. Проверка результатов расчета

Для проверки полученного решения рассчитаем ИО кристалла ПЛИС ХС S 30 XL λкр ХС S 30 XL , используя найденные значения λ клб, λ вх/вых, λ JTAG .

По аналогии с уравнениями системы λкр ХС S 30 XL 1 равна:

λкр ХС S 30 XL 1 = λ клб * N клб ХС S 30 XL + λ вх/вых * N вх/вы ХС S 30 XL + λ JTAG =

576* 5,16*10 -13 + 192*7,58*10 -12 + 1,498*10 -10 = 0,0019*10 -6 1/час.

Значение ИО кристалла, полученное с использованием АСРН равно (таблица 9): 0,0018 *10 -6 . Процентное соотношение этих значений составляет: (λкр ХС S 30 XL 1 - λкр ХС S 30 XL )*100%/ λкр ХС S 30 XL 1 ≈ 5%.

ИО одного вывода, полученные делением ИО на количество выводов в корпусах для ПЛИС ХС S 05 XL , ХС S 10 XL , ХС S 20 XL , ХС S 20 XL , равны 0,002*10 -6 , 0,00208*10 -6 , 0,0021*10 -6 , 0,0021*10 -6 , соответственно, т.е. отличаются не более чем на 5%.

Отличие в значениях ИО составляющее около 5% определяется, вероятно, принятыми при расчете приблизительными величинами мощностей рассеивания, и, как следствие, неточными значениями коэффициентов π т, а также наличием неучтенных элементов ПЛИС, информация о которых в документации отсутствует.

В приложении приведена блок – схема расчета и проверки интенсивностей отказов функциональных областей ПЛИС.

13. Выводы

1.Предложена методика оценки ИО функциональных узлов интегральных схем.

2.Она позволяет рассчитывать:

а) для схем памяти - ИО накопителей запоминающих устройств, ячеек памяти, дешифраторов, схем управления;

б) для микропроцессоров и микроконтроллеров – ИО запоминающих устройств, регистров, АЦП, ЦАП и построенных на их основе функциональных блоков;

в) для программируемых логических интегральных схем – ИО, входящих в них блоков разного функционального назначения - конфигурируемых логических блоков, блоков входа/выхода, ячеек памяти, JTAG и построенных на их основе функциональных блоков.

3.Предложена методика проверки рассчитанных значений ИО функциональных узлов.

4. Применение методики проверки, рассчитаныых значений ИО функциональных узлов интегральных схем, показало адекватность предложенного подхода для оценки ИО.

Приложение

Блок-схема расчета интенсивности отказов функциональных узлов ПЛИС

Литература

Porter D.C, Finke W.A. Reability characterization an prediction of IC. PADS-TR-70, p.232.

Military Handbook 217F. “Reability prediction of electronic equipment”. Department of Defence, Washington, DC 20301.

“Автоматизированная система расчета надежности”, разработана 22ЦНИИИ МО РФ при участии РНИИ “Электронстандарт” и АО “Стандартэлектро”, 2006г.

“Полупроводниковые запоминающие устройства и их применение”, В.П.Андреев, В.В.Баранов, Н.В.Бекин и др.; Под редакцией Гордонова. М. Радио и связь. 1981.-344стр.

Перспективы развития вычислительной техники: В. 11 кн.: Справ. пособие/Под редакцией Ю.М.Смирнова. Кн. 7: “Полупроводниковые запоминающие устройства”, А.Б.Акинфиев, В.И.Миронцев, Г.Д.Софийский, В.В.Цыркин. – М.: Высш. шк. 1989. – 160 с.: ил.

“Схемотехника БИС постоянных запоминающих устройств”, О.А.Петросян, И.Я.Козырь, Л.А.Коледов, Ю.И.Щетинин. – М.; Радио и связь, 1987, 304 с.

“Надежность оперативных запоминающих устройств”, ЭВМ, Ленинград, Энергоиздат, 1987г, 168 с.

ТИИЭР, т.75, вып.9, 1987г.

Xilinx. The Programmable Logic. Date Book, 2008 г. http:www.xilinx.com.

“Сектор электронных компонентов”, Россия-2002г-М.: Издательский дом “Додэка-XXI ”, 2002г.

DS00049R-page 61  2001 Microchip Technology Inc .

TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor, Data Manual, Literature Number SPRS095K.

CD-ROM фирмы Integrated Device Technology.

CD-ROM фирмы Holtec Semiconductor.

контрольная работа

3. Расчет интенсивности отказов

Рассчитаю интенсивность отказов для заданных значений t и t

Подсистема управления включает в себя k последовательно соединенных блоков (Рис.3.1).

Рисунок 3.1 - схема соединения электронных блоков

Интенсивность отказов рассчитываю по формуле (3.1).

где - статистическая вероятность отказа устройства на интервале (t, t +Дt)

P(t)-вероятность безотказной работы устройства;

Дt = 3·103 ч. принятый ранее в работу интервал наблюдения;

Определяю статистическую вероятность отказа устройства на заданном интервале (12,5·103ч) из таблицы (2.1) и нахожу интенсивность отказов;

При условии, что интенсивность отказов не меняется в течении всего срока службы объекта, т.е. л=const,то наработка до отказа распределена по экспоненциальному закону и вероятность безотказной работы блока в этом случае определяется по формуле (3.2)

А средняя наработка блока до отказа определяется по формуле (3.3)

Интенсивность отказов подсистемы лП(t), образованной из k-последовательно включенных блоков, нахожу по формуле (3.4)

Так как все блоки имеют одинаковую систему отказов, то определяю по формуле (3.5)

Вероятность безотказной работы подсистемы определяю согласно формуле (3.6)

Среднюю наработку на отказ подсистемы определяю аналогично по формуле (3.3)

Результаты расчета зависимостей вероятностей безотказной работы одного блока и подсистемы от наработки заношу в таблицу 3.2

Таблица 3.2

Строю график зависимостей и

Рисунок 3.1 - График зависимостей и.

Для любого распределения наработки на отказ вероятность безотказной работы подсистемы, состоящей из k-последовательно соединенных блоков, связана с вероятностями безотказной работы этих блоков соотношением по формуле (3.7)

Если блоки равно надежны, то вероятность безотказной работы подсистемы определяю по формуле (3.8)

Рассчитываю вероятность безотказной работы подсистемы при наработке, равной по формулам (3.6) и (3.8) и сравниваю результаты:

Результаты расчета по обеим формулам одинаковы.

Для решения практических задач по организации дорожного движения могут быть использованы рекомендации по выбору значений коэффициентов аварийности, приведенные в таблице 2.2...

Анализ безопасности дорожного движения Ванинского района Хабаровского края

Для расчета среднегодовой суточной интенсивности используются коэффициенты перехода из ВСН 42 - 87 / /. Расчет производится по формуле: (2.3) где: интенсивность движения за час...

Безотказность невосстанавливаемых изделий летательного аппарата

Безотказность работы системы кондиционирования летательного аппарата

Расстояние между крайними сечениями на построенных временных диаграммах определяет размах н, полученное значение которого разбивается на L интервалов и проводятся сечения диаграммы, соответствующие границам интервалов...

Для оценки реальной загрузки перекрестка транспортом пользоваться абсолютным значением интенсивности некорректно, поскольку при этом не учитывается состав транспортных потоков (ТП)...

Моделирование транспортного потока Гриншильдса и Гринберга

Построение основной диаграммы по основному уравнению транспортного потока: N=k V, (4.1) где N - интенсивность транспортного потока, авт. /ч; k - плотность, авт. /км; V - скорость, км/ч. При известныхNцикл и Vцикл из формулы (4.1) выражаем: Kцикл=Nцикл/Vцикл, (4...

Организация безопасности движения на автомобильном транспорте

Интенсивность движения смешанного потока определяется по формуле: , где Иij - входящий транспортный поток по i-му направлению j-ой составляющей, %к - процент к-го вида транспорта, входящего в расчетный поток...

Организация дорожного движения

Интенсивность движения транспортных средств по направлению в приведенных единицах Nпрi определяется по формуле: (1) где Ni - заданная интенсивность движения по i-му направлению, авт/ч; i - номер направления движения; Рл, Рг...

Основы теории надежности и диагностики

Интенсивность отказов (L), тыс. км-1, - условная плотность вероятности возникновения отказа токоприемника Л -13У, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник...

Оценка надежности токарно-винторезного станка марки 1К62 ЗАО "Авиакомпания "Ангара"

Дерево отказов или дерево аварий представляет собой сложную графическую структуру, лежащую в основе словесно - графического способа анализа возникновения аварии из последовательностей и комбинаций неисправностей и отказов элементов системы...

Перекрёсток ул. Лейтезина - ул. Революции

Расчет интенсивности проводится отдельно для пешеходных и транспортных потоков, по каждому направлению движения. На заданном участке УДС необходимо посчитать количество транспортных средств (ТС) и пешеходов, проходящих через перекресток...

Расчет оптимальной численности механизации на грузовом дворе аэропорта

Интенсивность выходящего потока I типа из склада отправления на перрон: , [поддон/мин], где - максимальный объем отправок в часы «пик», суток «пик», месяца «пик», т/ч; - коэффициент учитывающий длинномерные и тяжеловесные грузы (0,85--0...

Ремонт устройств электрической централизации управления стрелками на железной дороге

Стрелки вместе с электрическими приводами на них являются важнейшими узлами электрической централизации. Отказ в работе стрелки может свести до минимума надежность любой системы централизации и привести к самым тяжелым последствиям...

Система диагностики цепей управления электровоза

Совершенствование организации технического обслуживания грузовых вагонов

Исходные данные для расчета приведены в таблице 2.1 Таблица 2.1 - Количество составов, проследовавших по участку Пинск-Жабинка и количество вагонов в составе Показатель Месяцы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 4,5 4,6 5,1 5,5 5,8 4,8 4,7 4,1 3...

Часть 1.

Введение
Развитие современной аппаратуры характеризуется значительным увеличением ее сложности. Усложнение обуславливает повышение гарантии своевременности и правильности решения задач.
Проблема надежности возникла в 50-х годах, когда начался процесс быстрого усложнения систем, и стали вводиться в действие новые объекты. В это время появились первые публикации, определяющие понятия и определения, относящиеся к надежности [ 1 ] и была создана методика оценки и расчета надежности устройств вероятностно-статистическими методами.
Исследование поведения аппаратуры (объекта) во время эксплуатации и оценка ее качества определяет его надежность. Термин "эксплуатация" происходит от французского слова "exploitation", что означает получение пользы или выгоды из чего-либо.
Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.
Для количественного выражения надежности объекта и для планирования эксплуатации используются специальные характеристики - показатели надежности. Они позволяют оценивать надежность объекта или его элементов в различных условиях и на разных этапах эксплуатации.
Более подробно с показателями надежности можно ознакомиться в ГОСТ 16503-70 - "Промышленные изделия. Номенклатура и характеристика основных показателей надежности.", ГОСТ 18322-73 - "Системы технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения.", ГОСТ 13377-75 - "Надежность в технике. Термины и определения".

Определения
Надежность - свойство [далее - (сво-во)] объекта [далее - (ОБ)] выполнять требуемые функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в течение заданного периода времени.
Надежность представляет собой комплексное сво-во, сочетающее в себе понятие работоспособности, безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохранности.
Работоспособность - представляет собой состояние ОБ, при котором он способен выполнять свои функции.
Безотказность - сво-во ОБ сохранять свою работоспособность в течение определенного времени. Событие, нарушающее работоспособность ОБ, называется отказом. Самоустраняющийся отказ называется сбоем.
Долговечность - сво-во ОБ сохранять свою работоспособность до предельного состояния, когда его эксплуатация становится невозможной по техническим, экономическим причинам, условиям техники безопасности или необходимости капитального ремонта.
Ремонтопригодность - определяет приспособляемость ОБ к предупреждению и обнаружению неисправностей и отказов и устранению их путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Сохраняемость - сво-во ОБ непрерывно поддерживать свою работоспособность в течение и после хранения и технического обслуживания.

Основные показатели надежности
Основными качественными показателями надежности является вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и средняя наработка до отказа.
Вероятность безотказной работы P(t) представляет собой вероятность того, что в пределах указанного периода времени t , отказ ОБ не возникнет. Этот показатель определяется отношение числа элементов ОБ, безотказно проработавших до момента времени t к общему числу элементов ОБ, работоспособных в начальный момент.
Интенсивность отказов l (t) - это число отказов n(t) элементов ОБ в единицу времени, отнесенное к среднему числу элементов Nt ОБ, работоспособных к моменту времени D t :
l (t )= n (t )/(Nt * D t ) , где
D t - заданный отрезок времени.
Например : 1000 элементов ОБ работали 500 часов. За это время отказали 2 элемента. Отсюда, l (t )= n (t )/(Nt * D t )=2/(1000*500)=4*10 -6 1/ч, т.е. за 1 час может отказать 4-е элемента из миллиона.
Показатели интенсивности отказов комплектующих берутся на основании справочных данных [ 1, 6, 8 ]. Для примера в приведена интенсивность отказов l (t) некоторых элементов.

	Наименование элемента	Интенсивность отказов, *10 -5, 1/ч
	Резисторы
	Конденсаторы
	Трансформаторы
	Катушки индуктивности
	Коммутационные устройства
	Соединения пайкой
	Провода, кабели
	Электродвигатели	Надежность ОБ, как системы, характеризуется потоком отказов L , численно равное сумме интенсивности отказов отдельных устройств: L = ål i По формуле рассчитывается поток отказов и отдельных устройств ОБ, состоящих, в свою очередь, из различных узлов и элементов, характеризующихся своей интенсивностью отказов. Формула справедлива для расчета потока отказов системы из n элементов в случае, когда отказ любого из них приводит к отказу всей системы в целом. Такое соединение элементов называется логически последовательным или основным. Кроме, того, существует логически параллельное соединение элементов, когда выход их строя одного из них не приводит к отказу системы в целом. Связь вероятности безотказной работы P(t) и потока отказов L определяется: P (t )= exp (- D t ) , очевидно, что 0И 0< P (t )<1 и p (0)=1, а p (¥ )=0 Средняя наработка до отказа To - это математическое ожидание наработки ОБ до первого отказа: To=1/ L =1/(ål i) , или , отсюда : L =1/To Время безотказной работы равно обратной величине интенсивности отказов. Например : технология элементов обеспечивает среднюю интенсивность отказов l i =1*10 -5 1/ч . При использовании в ОБ N=1*10 4 элементарных деталей суммарная интенсивность отказов l о= N * l i =10 -1 1/ч . Тогда среднее время безотказной работы ОБ To =1/ l о=10 ч. Если выполнить ОБ на основе 4-х больших интегральных схем (БИС), то среднее время безотказной работы ОБ увеличится в N/4=2500 раз и составит 25000 ч. или 34 месяца или около 3 лет. Расчет надежности Формулы позволяют выполнить расчет надежности ОБ, если известны исходные данные - состав ОБ, режим и условия его работы, интенсивности отказов его компонент (элементов). Однако при практических расчетах надежности есть трудности из-за отсутствия достоверных данных о интенсивности отказов для номенклатуры элементов, узлов и устройств ОБ. Выход из этого положения дает применение коэффициентного метода. Cущность коэффициентного метода состоит в том, что при расчете надежности ОБ используют не абсолютные значения интенсивности отказов l i , а коэффициент надежности ki , связывающий значения l i с интенсивностью отказов l b какого-либо базового элемента: ki = l i / l b Коэффициент надежности ki практически не зависит от условий эксплуатации и для данного элемента является константой, а различие условий эксплуатации ku учитывается соответствующими изменениями l b . В качестве базового элемента в теории и практике выбран резистор. Показатели надежности комплектующих берутся на основании справочных данных [ 1, 6, 8 ]. Для примера в приведен коэффициенты надежности ki некоторых элементов. В табл. 3 приведены коэффициенты условий эксплуатации ku работы для некоторых типов аппаратуры. Влияние на надежность элементов основных дестабилизирующих факторов - электрических нагрузок, температуры окружающей среды - учитывается введением в расчет поправочных коэффициентов a . В табл. 4 приведены коэффициенты условий a работы для некоторых типов элементов. Учет влияния других факторов - запыленности, влажности и т.д. - выполняется коррекцией интенсивности отказов базового элемента с помощью поправочных коэффициентов. Результирующий коэффициент надежности элементов ОБ с учетом поправочных коэффициентов: ki"=a1*a2*a3*a4*ki*ku, где ku - номинальное значение коэффициента условий эксплуатации ki - номинальное значение коэффициент надежности a1 - коэффициент учитывающий влияние электрической нагрузки по U, I или P a2 - коэффициент учитывающий влияние температуры среды a3 - коэффициент снижения нагрузки от номинальной по U, I или P a4 - коэффициент использования данного элемента, к работе ОБ в целом Условия эксплуатации Коэффициент условий Лабораторные условия Аппаратура стационарная: В помещениях Вне помещений Подвижная аппаратура: Корабельная Автомобильная Поездная Наименование элемента и его параметры Коэффициент нагрузки Резисторы: По напряжению По мощности Конденсаторы По напряжению По реактивной мощности По прямому току По обратному напряжению По температуре перехода По току коллектора По напряж. коллектор-эмиттер По рассеиваемой мощности Порядок расчета состоит в следующем: 1. Определяют количественные значения параметров, характеризующие нормальную работу ОБ. 2. Составляют поэлементную принципиальную схему ОБ, определяющую соединение элементов при выполнении ими заданной функции. Вспомогательные элементы, использующиеся при выполнении функции ОБ, не учитываются. 3. Определяются исходные данные для расчета надежности: тип, количество, номинальные данные элементов режим работы, температура среды и другие параметры коэффициент использования элементов коэффициент условий эксплуатации системы определяется базовый элемент l b и интенсивность отказов l b " по формуле: ki "= a 1* a 2* a 3* a 4* ki * ku определяется коэффициент надежности 4. Определяются основные показатели надежности ОБ, при логически последовательном (основном) соединении элементов, узлов и устройств: вероятность безотказной работы : P(t)=exp{- l b*To*} , где Ni - число одинаковых элементов в ОБ n - общее число элементов в ОБ, имеющих основное соединение наработка на отказ : To=1/{ l b*} Если в схеме ОБ есть участки с параллельным соединением элементов, то сначала делается расчет показателей надежности отдельно для этих элементов, а затем для ОБ в целом. 5. Найденные показатели надежности сравниваются с требуемыми. Если не соответствуют, то принимаются меры к повышению надежности ОБ (). 6. Средствами повышения надежности ОБ являются: - введение избыточности, которая бывает: внутриэлементная - применение более надежных элементов структурная - резервирование - общее или раздельное Пример расчета: Рассчитаем основные показатели надежности для вентилятора на асинхронном электродвигателе. Схема приведена на . Для пуска М замыкают QF, а затем SB1. KM1 получает питание, срабатывает и своими контактами КМ2 подключает М к источнику питания, а вспомогательным контактом шунтирует SB1. Для отключения М служит SB2. В защите М используются FA и тепловое реле KK1 с КК2. Вентилятор работает в закрытом помещении при T=50 C в длительном режиме. Для расчета применим коэффициентный метод, используя коэффициенты надежности компонент схемы. Принимаем интенсивность отказов базового элемента l b =3*10 -8 . На основании принципиальной схемы и ее анализа, составим основную схему для расчета надежности (). В расчетную схему включены компоненты, отказ которых приводит к полному отказу устройства. Исходные данные сведем в . Базовый элемент, 1/ч l б 3*10 -8 Коэф. условий эксплуатации Интенсивность отказов l б ’ l б* ku =7,5*10 -8 Время работы, ч Элемент принципиальной схемы Элемент расчетной схемы Число элементов Коэф. надежности Коэф. нагрузки Коэф. электрической нагрузки Коэф. температуры Коэф. нагрузки по мощности Коэф. использования Произведение коэф. a Коэф. надежности S (Ni * ki ’) Наработка до отказа, ч 1/[ l б ’* S (Ni*ki’)]=3523,7 Вероятность е [- l б ’*To* S (Ni*ki’)] =0,24 По результатам расчета можно сделать выводы: 1. Наработка до отказа устройства: To=3524 ч. 2. Вероятность безотказной работы: p(t)=0,24. Вероятность того, что в пределах заданного времени работы t в заданных условиях работы не возникнет отказа. Частные случай расчета надежности. 1. Объект (далее ОБ) состоит из n блоков, соединенных последовательно (). Вероятность безотказной работы каждого блока p. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом. Решение: P = p n 2. ОБ состоит из n блоков, соединенных параллельно (). Вероятность безотказной работы каждого блока p. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом. Решение: P =1-(1- p ) 2 3. ОБ состоит из n блоков, соединенных параллельно (). Вероятность безотказной работы каждого блока p. Вероятность безотказной работы переключателя (П) p1. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом. Решение: P=1-(1-p)*(1-p1*p) 4. ОБ состоит из n блоков (), с вероятность безотказной работы каждого блока p. С целью повышения надежности ОБ произведено дублирование, еще такими-же блоками. Найти вероятность безотказной работы системы: с дублированием каждого блока Pa, с дублированием всей системы Pb. Решение: Pa = n Pb = 2 5. ОБ состоит из n блоков (см. рис. 10). При исправном C вероятность безотказной работы U1=p1, U2=p2. При неисправном C вероятность безотказной работы U1=p1", U2=p2". Вероятность безотказной работы C=ps. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом. Решение: P = ps *+(1- ps )* 9. ОБ состоит из 2-х узлов U1 и U2. Вероятность безотказной работы за время t узлов: U1 p1=0.8, U2 p2=0.9. По истечении времени t ОБ несправен. Найти вероятность, что: - H1 - неисправен узел U1 - H2 - неисправен узел U2 - H3 - неисправны узлы U1 и U2 Решение: Очевидно, имело место H0, когда оба узла исправны. Событие A=H1+H2+H3 Априорные (первоначальные) вероятности: - P(H1)=(1-p1)*p2 =(1-0.8)*0.9=0.2*0.9=0.18 - P(H2)=(1-p2)*p1 =(1-0.9)*0.8=0.1*0.8=0.08 - P(H3)=(1-p1)*(1-p2) =(1-0.8)*0.9=0.2*0.1=0.02 - A= i=1 å 3 *P(Hi)=P(H1)+P(H2)+P(H3) =0.18+0.08+0.02=0.28 Апостерионые (конечные) вероятности: - P(H1/A)=P(H1)/A=0.18/0.28=0.643 - P(H2/A)=P(H2)/A=0.08/0.28=0.286 - P(H3/A)=P(H3)/A=0.02/0.28=0.071 10. ОБ состоит из m блоков типа U1 и n блоков типа U2. Вероятность безотказной работы за время t каждого блока U1=p1, каждого блока U2=p2. Для работы ОБ достаточно, чтобы в течение t работали безотказно любые 2-а блока типа U1 и одновременно с этим любые 2-а блока типа U2. Найти вероятность безотказной работы ОБ. Решение: Событие A (безотказная работа ОБ) есть произведение 2-х событий: - A1 - (не менее 2-х из m блоков типа U1 работают) - A2 - (не менее 2-х из n блоков типа U2 работают) Число X1 работающих безотказно блоков типа U1 есть случайная величина, распределенная по биномиальному закону с параметрами m, p1. Событие A1 состоит в том, что X1 примет значение не менее 2, поэтому: P(A1 )=P{X1>2}=1-P(X1<2)=1-P(X1=0)-P(X1=1)=1-(g1 m +m*g2 m-1 *p1) , где g1=1-p1 аналогично: P(A2)=1-(g2 n +n*g2 n-1 *p2) , где g2=1-p2 Вероятность безотказной работы ОБ: R =P(A)=P(A1)*P(A2)=* , где g1=1-p1, g2=1-p2 11. ОБ состоит из 3-х узлов (). В узле U1 n1 элементов с интенсивностью отказов l1. В узле U2 n2 элементов с интенсивностью отказов l2. В узле U3 n3 элементов с интенсивностью отказов l2, т.к. U2 и U3 дублируют друг друга. U1 выходит из строя если в нем отказало не менее 2-х элементов. U2 или U3, т.к. дублируются, выходят из строя если в них отказал хотя бы один элемент. ОБ выходит из строя если отказал U1 или U2 и U3 вместе. Вероятность безотказной работы каждого элемента p. Найти вероятность того, что за время t ОБ не выйдет из строя. Вероятности выхода из строя U 2 и U 3 равны: R2=1-(1-p2) n2 R3=1-(1-p3) n3 Вероятности выхода из строя всего ОБ: R=R1+(1-R1)*R2*R3 Литература: Малинский В.Д. и др. Испытания радиоаппаратуры, "Энергия", 1965 г. ГОСТ 16503-70 - "Промышленные изделия. Номенклатура и характеристика основных показателей надежности". Широков А.М. Надежность радиоэлектронных устройств, М, Высшая школа, 1972 г. ГОСТ 18322-73 - "Системы технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения". ГОСТ 13377-75 - "Надежность в технике. Термины и определения". Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики, М, Сов. Радио, 1975 г. Перроте А.И., Сторчак М.А. Вопросы надежности РЭА, М, Сов. Радио, 1976 г. Левин Б.Р. Теория надежности радиотехнических систем, М, Сов. Радио, 1978 г. ГОСТ 16593-79 - "Электроприводы. Термины и определения". И. Брагин 08.2003 г.

Интенсивностью отказов называется отношение числа отказавших образцов аппаратуры в единицу времени к среднему числу образцов, исправно работающих в данный отрезок времени при условии, что отказавшие образцы не восстанавливаются и не заменяются исправными.

Эта характеристика обозначается .Согласно определению

где n(t) – число отказавших образцов в интервале времени от до ; – интервал времени, - среднее число исправно работающих образцов в интервале ; N i - число исправно работающих образцов в начале интервала , N i +1 – число исправно работающих образцов в конце интервала .

Выражение (1.20) является статистическим определением интенсивности отказов. Для вероятностного представления этой характеристики установим зависимость между интенсивностью отказов, вероятностью безотказной работы и частотой отказов.

Подставим в выражение (1.20) выражение для n(t) из формул (1.11) и (1.12). Тогда получим:

.

Учитывая выражение (1.3) и то, что N ср = N 0 – n(t), найдем:

.

Устремляя к нулю и переходя к пределу, получим:

. (1.21)

Интегрируя выражение (1.21), получим:

Так как , то на основании выражения (1.21) получим:

. (1.24)

Выражения (1.22) – (1.24) устанавливают зависимость между вероятностью безотказной работы, частотой отказов и интенсивностью отказов.

Выражение (1.23) может быть вероятностным определением интенсивности отказов.

Интенсивность отказов как количественная характеристика надежности обладает рядом достоинств. Она является функцией времени и позволяет наглядно установить характерные участки работы аппаратуры. Это может позволить существенно повысить надежность аппаратуры. Действительно, если известны время приработки (t 1) и время конца работы (t 2), то можно разумно установить время тренировки аппаратуры до начала ее экс

плуатации и ее ресурс до ремонта. Это позволяет уменьшить число отказов при эксплуатации, т.е. приводит, в конечном счете, к повышению надежности аппаратуры.

Интенсивность отказов как количественная характеристика надежности имеет тот же недостаток, что и частота отказов: она позволяет достаточно просто характеризовать надежность аппаратуры лишь до первого отказа. Поэтому она является удобной характеристикой надежности систем разового применения и, в частности, простейших элементов.

По известной характеристике наиболее просто определяются остальные количественные характеристики надежности.

Указанные свойства интенсивности отказов позволяют ее считать основной количественной характеристикой надежности простейших элементов радиоэлектроники.

Различают вероятностные (математические) и статистические показатели надежности. Математические показатели надежности выводятся из теоретических функций распределения вероятностей отказов. Статистические показатели надежности определяются опытным путем при испытаниях объектов на базе статистических данных эксплуатации оборудования.

Надежность является функцией многих факторов, большинство из которых случайны. Отсюда ясно, что для оценки надежности объекта необходимо большое количество критериев.

Критерий надежности – это признак, по которому оценивается надежность объекта.

Критерии и характеристики надежности носят вероятностный характер, поскольку факторы, влияющие на объект, носят случайный характер и требуют статистической оценки.

Количественными характеристиками надежности могут быть:
вероятность безотказной работы;
среднее время безотказной работы;
интенсивность отказов;
частота отказов;
различные коэффициенты надежности.

1. Вероятность безотказной работы

Служит одним из основных показателей при расчетах на надежность.
Вероятность безотказной работы объекта называется вероятность того, что он будет сохранять свои параметры в заданных пределах в течение определенного промежутка времени при определенных условиях эксплуатации.

В дальнейшем полагаем, что эксплуатация объекта происходит непрерывно, продолжительность эксплуатации объекта выражена в единицах времени t и эксплуатация начата в момент времени t=0.
Обозначим P(t) вероятность безотказной работы объекта на отрезке времени . Вероятность, рассматриваемую как функцию верхней границы отрезка времени, называют также функцией надежности.
Вероятностная оценка: P(t) = 1 – Q(t), где Q(t) — вероятность отказа.

Из графика очевидно, что:
1. P(t) – невозрастающая функция времени;
2. 0 ≤ P(t) ≤ 1;
3. P(0)=1; P(∞)=0.

На практике иногда более удобной характеристикой является вероятность неисправной работы объекта или вероятность отказа:
Q(t) = 1 – P(t).
Статистическая характеристика вероятности отказов: Q*(t) = n(t)/N

2. Частота отказов

Частотой отказов называется отношение числа отказавших объектов к их общему числу перед началом испытания при условии что отказавшие объекты не ремонтируются и не заменяются новыми, т.е

a*(t) = n(t)/(NΔt)
где a*(t) — частота отказов;
n(t) – число отказавших объектов в интервале времени от t – t/2 до t+ t/2;
Δt – интервал времени;
N – число объектов, участвующих в испытании.

Частота отказов есть плотность распределения времени работы изделия до его отказа. Вероятностное определение частоты отказов a(t) = -P(t) или a(t) = Q(t).

Таким образом, между частотой отказов, вероятностью безотказной работы и вероятностью отказов при любом законе распределения времени отказов существует однозначная зависимость: Q(t) = ∫ a(t)dt.

Отказ трактуют в теории надежности как случайное событие. В основе теории лежит статистическое истолкование вероятности. Элементы и образованные из них системы рассматривают как массовые объекты, принадлежащие одной генеральной совокупности и работающие в статистически однородных условиях. Когда говорят об объекте, то в сущности имеют в виду наугад взятый объект из генеральной совокупности, представительную выборку из этой совокупности, а часто и всю генеральную совокупность.

Для массовых объектов статистическую оценку вероятности безотказной работы P(t) можно получить, обработав результаты испытаний на надежность достаточно больших выборок. Способ вычисления оценки зависит от плана испытаний.

Пусть испытания выборки из N объектов проведены без замен и восстановлений до отказа последнего объекта. Обозначим продолжительности времени до отказа каждого из объектов t 1 , …, t N . Тогда статистическая оценка:

P*(t) = 1 — 1/N ∑η(t-t k)

где η — единичная функция Хевисайда.

Для вероятности безотказной работы на определенном отрезке удобна оценка P*(t) = /N,
где n(t) – число объектов, отказавших к моменту времени t.

Частота отказов, определяемая при условии замены отказавших изделий исправными, иногда называется средней частотой отказов и обозначается ω(t).

3. Интенсивность отказов

Интенсивностью отказов λ(t) называется отношение числа отказавших объектов в единицу времени к среднему числу объектов, работающих в данный отрезок времени, при условии, что отказавшие объекты не восстанавливаются и не заменяются исправными: λ(t) = n(t)/
где N ср = /2 — среднее число объектов, исправно работавших в интервале времени Δt;
N i – число изделий, работавших в начале интервала Δt;
N i+1 – число объектов, исправно работавших в конце интервала времени Δt.

Ресурсные испытания и наблюдения над большими выборками объектов показывают, что в большинстве случаев интенсивность отказов изменяется во времени немонотонно.

Из кривой зависимости отказов от времени видно, что весь период работы объекта можно условно поделить на 3 периода.
I — й период – приработка.

Приработочные отказы являются, как правило, результатом наличия у объекта дефектов и дефектных элементов, надежность которых значительно ниже требуемого уровня. При увеличении числа элементов в изделии даже при самом строгом контроле не удается полностью исключить возможность попадания в сборку элементов, имеющих те или иные скрытые дефекты. Кроме того, к отказам в этот период могут приводить и ошибки при сборке и монтаже, а также недостаточная освоенность объекта обслуживающим персоналом.

Физическая природа таких отказов носит случайный характер и отличается от внезапных отказов нормального периода эксплуатации тем, что здесь отказы могут иметь место не при повышенных, а и при незначительных нагрузках («выжигание дефектных элементов»).
Снижение величины интенсивности отказов объекта в целом, при постоянном значении этого параметра для каждого из элементов в отдельности, как раз и объясняется «выжиганием» слабых звеньев и их заменой наиболее надежными. Чем круче кривая на этом участке, тем лучше: меньше дефектных элементов останется в изделии за короткий срок.

Чтобы повысить надежность объекта, учитывая возможность приработочных отказов, нужно:
проводить более строгую отбраковку элементов;
проводить испытания объекта на режимах близких к эксплуатационным и использовать при сборке только элементы, прошедшие испытания;
повысить качество сборки и монтажа.

Среднее время приработки определяют при испытаниях. Для особо важных случаев необходимо увеличить срок приработки в несколько раз по сравнению со средним.

II — й период – нормальная эксплуатация
Этот период характеризуется тем, что приработочные отказы уже закончились, а отказы, связанные с износом, еще не наступили. Этот период характеризуется исключительно внезапными отказами нормальных элементов, наработка на отказ которых очень велика.

Сохранение уровня интенсивности отказов на этом этапе характеризуется тем, что отказавший элемент заменяется таким же, с той же вероятностью отказа, а не лучшим, как это происходило на этапе приработки.

Отбраковка и предварительная обкатка элементов, идущих на замену отказавших, имеет для этого этапа еще большее значение.
Наибольшими возможностями в решении этой задачи обладает конструктор. Нередко изменение конструкции или облегчение режимов работы всего одного-двух элементов обеспечивает резкое повышение надежности всего объекта. Второй путь – повышение качества производства и даже чистоты производства и эксплуатации.

III – й период – износ
Период нормальной эксплуатации заканчивается, когда начинают возникать износовые отказы. Наступает третий период в жизни изделия – период износа.

Вероятность возникновения отказов из-за износов с приближением к сроку службы возрастает.

С вероятностной точки зрения отказ системы в данном промежутке времени Δt = t 2 – t 1 определяется как вероятность отказа:

∫a(t) = Q 2 (t) — Q 1 (t)

Интенсивность отказов есть условная вероятность того, что в промежуток времени Δt произойдет отказ при условии, что до этого он не произошел λ(t) = /[ΔtP(t)]
λ(t) = lim /[ΔtP(t)] = / = Q"(t)/P(t) = -P"(t)/P(t)
так как a(t) = -P"(t), то λ(t) = a(t)/P(t).

Эти выражения устанавливают зависимость между вероятностью безотказной работы, частотой и интенсивностью отказов. Если a(t) – невозрастающая функция, то справедливо соотношение:
ω(t) ≥ λ(t) ≥ a(t).

4. Среднее время безотказной работы

Средним временем безотказной работы называется математическое ожидание времени безотказной работы.

Вероятностное определение: среднее время безотказной работы равно площади под кривой вероятности безотказной работы.

Статистическое определение: T* = ∑θ i /N 0
где θ I – время работы i-го объекта до отказа;
N 0 – начальное число объектов.

Очевидно, что параметр Т* не может полностью и удовлетворительно характеризовать надежность систем длительного пользования, так как является характеристикой надежности только до первого отказа. Поэтому надежность систем длительного использования характеризуют средним временем между двумя соседними отказами или наработкой на отказ t ср:
t ср = ∑θ i /n = 1/ω(t),
где n – число отказов за время t;
θ i – время работы объекта между (i-1)-м и i-м отказами.

Наработка на отказ – среднее значение времени между соседними отказами при условии восстановления отказавшего элемента.