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如何解讀MTBF和可靠性

數(shù)字電子元件日益普及,應用深入到生活的方方面面,從移動電話和平板電腦、健康監(jiān)測儀和家庭數(shù)字助理,到互聯(lián)網(wǎng)和電信基礎設施、數(shù)據(jù)中心、運輸管理和線傳飛控系統(tǒng),均有涉及。隨著我們在日常生活中越來越依賴這些產(chǎn)品,我們也越來越多地注意到產(chǎn)品中使用的電子元器件的可靠性帶來的問題。



定義可靠性和MTBF



面對這一趨勢,設計工程師們在元器件選擇過程中越來越注重可靠性,紛紛利用元器件供應商提供的平均故障間隔時間(MTBF)等重要數(shù)據(jù)點制定設計決策,也就不足為奇了。盡管MTBF可以作為評估可靠性的一個實用指標,尤其是在比較多家供應商的元器件時,但很多人會落入一個圈套,誤將MTBF數(shù)據(jù)直接等同于元器件的預期壽命。鑒于在電子設計中圍繞這一問題存在許多錯誤觀念,因此務必要反復審視電子元件可靠性與使用壽命的聯(lián)系。



可靠性的定義是單獨一套產(chǎn)品在規(guī)定條件下能夠正常運行達到指定時長的概率。它可以采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)表達如下:



R(t)=e-λt



其中,λ表示固有故障率,不包括初期故障(早期故障)和磨損故障(壽命終點)。



因而可靠性是在下圖所示常見故障率曲線的中央平直部分發(fā)生故障的概率。











圖1:故障率曲線顯示了從壽命起點到終點的故障趨勢



λ的倒數(shù)1/λ給出了修復前平均時間(MTTF),這一概念更為常見的表述是平均故障間隔時間(MTBF),在電力行業(yè)尤其常用。人們會傾向于認為計算MTBF就能得出產(chǎn)品的一般預期壽命,但這只是一種常見的錯誤觀念。



如何解讀MTBF和可靠性



設想一個元器件的固有故障率(λ)為10-6次故障/小時。盡管MTBF為100萬小時,但R(t)=e-λt曲線(如下圖所示)告訴我們,統(tǒng)計表明只有36.7%的裝置有可能運行這么久。60.6%的裝置預計能夠運行500,000小時,而我們可以進一步預計有90.5%的裝置壽命能夠持續(xù)100,000小時。











圖2:元器件能夠在計算得出的整個MTBF期間持續(xù)運行的概率僅為36.7%



得出各元器件的這個信息之后,我們必須將構成系統(tǒng)的所有元器件各自的故障率相加,從而了解整個產(chǎn)品能夠持續(xù)運轉(zhuǎn)的時間(λA=λ1n1+λ2n2+…+λini)。顯然,系統(tǒng)的可靠性可能不如其中最不可靠的元器件。對于設計者而言,著重優(yōu)化較薄弱的元器件會帶來收益。



從中得出的重要信息是,MTBF雖然是分析和比較產(chǎn)品和元器件的可靠依據(jù),但不應被當作預期壽命的直接表述。



對于數(shù)字產(chǎn)品可靠性的要求如今已經(jīng)交織在生活和工作之中,并且該要求將不斷提高。我們這個行業(yè)能夠清晰地溝通我們產(chǎn)品相關的可靠性、MTBF和實際壽命預期,幫助設計者獲得更好的設計體驗。












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