Л1-Савельев, Овчинников - Конструирование ЭВМ и систем - 1984 год, страница 14

При оценке показателей надежности типовых модулей необходимо выявить те элементы конструкций, которые могут привести к их отказу («компоненты ненадежности»). К основным «компонентам ненадежности» типовых конструкций ЭВМ можно отнести: комплектующие элементы (ннтегральные схемы и электрорадиоэлементы); элементы монтажа (различного вида линии связи, сварные, паяные или термокомпрессионные соединения, разъемы, печатные платы, металлизированные отверстия).

Для всех этих элементов преобладающими являются внезапные отказы. По результатам анализа влияния на работоспособность типовой конструкции входящих в нее элементов составляется структурная схема надежности. Элемент включается в эту схему, если его отказ приводит к отказу типовой конструкции. Суммарная интенсивность отказов типовой конструкции где У число типов элементов в структурной схеме надежности; Х, и и и; — интенсивность отказов и количество элементов 1-го типа. Наработка на отказ Т,= 1/Л.

(4.2 5) Интейсивность отказов комплектующих элементов, являющаяся их исходной характеристикой надежности, зависит от режима работы и степени тяжести таких внешних воздействий, как температура, тепловой удар, влажность, вибрации, линейные ускорения, удары, радиация и т. п. Можно записать, что )" = )'о К»К»".К ГДЕ Ао — ИНтЕНСИВНОСтъ ОтКаЗОВ ЭЛЕМЕНта ПРИ НОРМаЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ работы (температура окружающей среды 0 = + 298 + 10 К, относительная влажность 65+.15%, коэффициент электрической нагрузки Кн = 1); К„КН..., К, — поправочные коэффициенты, учитывающие режимы работы и условия эксплуатации.

Для учета влияния режима работы на интенсивность отказов электрорадиоэлементов вводится коэффициент нагрузки Кн = Орал/Оном. равный отношению нагрузки в рабочем режиме к нагрузке в номинальном режиме. Коэффициент нагрузки для транзисторов Кпт р= Рк.рабl~ к.пом Кп«ар = о'к.а.рабl«'к.а.ком1 Кка та раб~1к.ком~ для резисторов Кн.р = Рраб!~ ном для конденсаторов Кв.к ('раб%ком для диодов Кн»д ~пр.рабУпр.ном1 Кн»д (~обр.раб~(бобр.пом для трансформаторов Кнт = А раб!'(~ нам~ где У~ — плотность тока в 1-й обмотке.

Для учета импульсных режимов работы элементов при подсчете основных электрических параметров в соответствующие формулы вводится скважность сигналов Я. Например, средняя мощность и Т„ит Р = — — = — Я, тт Т Р где Тн — длительность импульса; Т' — длительность такта. Относительная интенсивность отказов будет меняться в зависимости от коэффициента нагрузки и температуры, как показано на рис. 4.2.

Тепловой режим интегральных схем (ИС) значительно влияет на их интенсивность отказов. Зависимость относительной интенсивности от- казов интегральных схем при нх эксплуатации от температуры, т. е. поправочного коэффициента по температуре, показан на рис. 4.3. Для учета режима работы ИС вводится коэффициент, оценивающий в соответствии с временной диаграммой воздействие на нее сигналов верхнего и нижнего уровней по отношению к номинальному режиму (Кис). На начальных атал/л, пах проектирования влияние внешних воз- 50 действий на интенсивность отказов для ЭВМ различного наз- а) л/л, г,о 1Л 1,г а,а 0,4 40 зо гас л/л 15 1 Ха 60 ба 6) 40 Л/Л, зо з гос 6 4 г пд об 1а 1 26 45 55 05 1051,'с пб 1к„аг пд Рис.

4.2. Зависимость относительной интенсивности отказов от условий работы для непроволочных резисторов (а), для керамических (а) и бумажных и металлобумажных (г) конденсаторов, для трансформаторов (д). для кремниевых (о) и терманиевых (б) диодов, для германневых триодов (хс) Рис. 4.3. Зависимость относительной интенсивности отказов ИС от температуры начения может быть учтено с помощью интегрального поправочного коэффициента К вЂ” Л/Ла. Значения поправочного коэффициента К для аппаратуры различного назначения приведены ниже: Современные образцы ракет 700 Поезд.........

59 Ранние образцы ракет . . 400 Автомобиль....... 50 Самолет........ 100 Корабль........ 40 Аппаратура для высокогор- Наземная аппаратура... 20 ной местности,...., 68 Лабораторные условия . . ! Пример 4.1. Рассчитать интенсивность отказов ТЭЗ н панели стационарной наземной ЭВМ. Конструкция ЭВМ обеспечивает заданные в ТУ нормальные условия эксплуатации компонентов, кроме температуры г = 60' С. Исходнымн данными для расчета являются схемы принципиальные, спецификации, карты рабочих режимов, временные диаграммы и интенсивности отказов «компонентов ненадежности» в вормальных условиях эксплуатации.

Р е ш е н н е. По картам рабочих режимов и временным диаграммам подсчитывают коэффициенты, учитывающие режим работы компонентов и временной загрузки для ТЭЗ (пусть коэффициенты нагрузки резисторов Кп р =- 0,6, конденсаторов Кн.к = 0,8, интегральных схем Кис = 1 и коэффициент временной загрузки всех ТЭЗ панели Кт = 1).

По спецификациям и схеме принципиальной ТЭЗ определяем типы интегральных схем, дискретных компонентов и других элементов, входящих в схему основного соединения по надежности, и подсчитываем их количество. 70 П,г г) л/л« 2,4 г,п 1,г о,о 0,4 п,г о) и л/ ба 50 и 40 1д 40 зо зо оо гас П,э е! 424446 4014; 1Х Л/Лэ 50 а 12 зо п,о гпс м) аг 46 1л„ н л/л, ба 40 16 зо 40 зо о,о 20'С гпс 1К« 02 Пб 1КВ По рис.

4.2, и, в и рис. 4.3 определяем поправочный температурный коэффипиент для резисторов, конденсаторов и ИС. Некоторые исходные данные и промежуточные результаты для ТЭЗ сведены в табл. 4.1. Таблица 41 Ивтевсвв- ность отказов Ло" в М,. Лп!э», Числа элементов Юи шт. Температур- вма козф- фкчвапт Элеь!впт 40 12 0,2.

10-1 0,1.10 1 Интегральные схемы Реэисторные блоки Б 20-4-4 Конденсаторы керамические Паяиые содинения: ножек ИС ножек реэисториых блоков ножек конденсаторов Контакт разъема Печатная плата (на один слой) 12 1,8 1,5 1,5 16 0310 1 05!О э 0510 э 600 156 3,0 0,78 О,!6 32 0,5 10-э 16 7 0,2 10"1 !0-1 Просуммнровав А!1Л1, окончательно получаем Лтэз ' 46 5 10-1 ч-э. натек«к»- ность отказов л, ч-' 1' Лэ М,.ба а-' Число элементов Л«1. шт.

Элемент 40 3 46,5. 10-1 0,8. 10-к ТЭЗ Печатная плата панели (на один слой) Соединение накруткой Каркас панели 186 2,4 10 'в !о— 4200 1 0,42 0,01 Суммарная интенсивность отказов панели Л = 188,83 10-а ч — э. Ответ. Лтэз = 46 5 10 ' ч э Л 188 83.10-а ч-1 й ПА. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ При разработке ЭВМ расчетные значения показателей надежности сравниваются с показателями, установленными в техническом задании. Если последние лучше расчетных, принимаются меры для повышения надежности.

Основные способы повышения надежности: использование Будем считать, что интенсивности отказов всех ТЭЗ панели одинаковы. Основные исходные данные н промежуточные результаты для расчета интенсивности отказов панели приведены в табл. 4.2. Таблица 42 Зная, что Я„(1) = д! (!), получаем з! 1з+ ! Я.(()= 1 — П р!(()~ !=! Переходя к вероятности безотказной работы, имеем и !з+! Робщ. р (() = 1 1 П Р! (() ! ! (4.28) (4.29) где У вЂ” количество элементов основной цепи; р!(!) — вероятность безотказной работы з-го элемента основной цепи; 5 — количество резервных цепей. Пользуясь формулой (4.29), можно определить необходимое количество резервных цепей для получения заданной вероятности безотказной работы при общем резервировании: конструктивных элементов с высокими показателями надежности; применение способов монтажа, обеспечивающих низкую интенсивность отказов электросоединений; разработка конструкций, обеспечивающих защиту комплектующих элементов от внешних воздействий; выбор облегченных тепловых и электрических режимов работы комплектующих элементов; использование метода резервирования.

Рассмотрим структурное резервирование, при котором надежность ЭВМ повышается за счет использования избыточных элементов. На рис. 4.4, а показано основное соединение функциональных частей ЭВМ. Различают два вида резервирования: общее (рис. 4.4, б) и раздель- вЫЛ !хааз! Е Б з,,х,з нос (Рис. 4.4,в). ПРи общем РезеР- вируется вся ЭВМ в целом, при раздельном — отдельные элементы захаз или их группы (функциональные части). Если основные и резервные эле- "П менты имеют равные вероятности 6 — (,Я вЂ” (зД вЂ” — -[зД.) безотказной работы, то вероятность наступления отказа всей системы прн общем резервировании опрезх,в " "! ~! ~ в„„,з деляется одновременным отказом основной и 5 резервных цепей.

Вероятность отказа для основной цепи з! Я„„(()=1 — П р, (!); (4.26) !=! рнс. 4.4. Основное соединение (с). для всей системы общее резервирование (б) з раздельное РезервиРование (в) функцзо- () (() (~ (() П,„(() (4 2у) у=! В случае поэлементного резервирования (рис. 4.4, в) вероятность безотказной работы находится также через вероятность появления отказа. При этом вероятность безотказной работы !'-го и всех его резервных элементов: в!+! р!' (!) = 1 — 4! (!) = 1 — П [1 — р; (!)[ =. 1 — [1 — р; (!)1 '+ .

(4.31) Г=! Х=! Как правило, все практические задачи сводятся к трем рассмотренным выше схемам соединений или их комбинациям (смешанное резервирование). Основная трудность при этом заключается в том, чтобы составить правильную расчетную схему соединения элементов. Это должно осуществляться анализом работы схемы узла или блока и технических требований на него. Вывод выражений (4.26) — (4.33) был сделан в предположении, что интенсивности отказов основных и резервных элементов равны. Интенсивность отказов основных и резервных элементов зависит от режима их включения. Различают нагруженный резерв, при котором резервные элементы находятся в том же режиме, что н основные, и ненагруженный, при котором резервные элементы практически не несут нагрузки.

Пусть в группе из основного и 5 резервных элементов (рис. 4.6) Л„ Л„..., Лз — интенсивность отказов каждого из элементов в рабочем состоянии и ).! (/ = 1, 5) — в дежурном. Отказы схем подключения резерва учитывать не будем. В ряде случаев интенсивность отказов этих схем можно включить в интенсивности Лв или Х;. Суммарная интенсивность отказов группы из основного и 5 резервных элементов Рассмотрим цепь, состоящую нз групп элементов, имеющих вероятности, равные р (().

Поступаем аналогично случаю основного соединения, т. е. в зв заказ л! !с !с з.+! Р... (() = П р (() = П [1 — П вЂ” р! ((и '" [, з=! л! (4.32) ~ л! где )!( — количество элементов основной цепи; 5!— количество резервных цепей для !-го элемента- Р"С 4б. ГРУПпа "З р! (г) — вероятность безотказной работы !-го эле- нных ентоз мента. Если все элементы обладают одинаковой вероятностью безотказной работы р (г), то для обеспечения требуемой надежности число резервных цепей 5 = 1и [1 — )ГР„, (Г) )/1п [1 — р (()) — 1.