Vítejte, dnes je
sobota 23.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
S otázkou spolehlivosti elektroniky je spojena celá řada mýtů, takže by se mohlo zdát, že její stanovení, nebo spíše použitelná kvalifikovaná předpověď, je věcí téměř nereálnou. Že tomu tak není, svědčí jak celá řada propracovaných metod, tak i standardů a různých softwarových nástrojů na zjišťování MTBF jako jednoho z klíčových kritérií pro posouzení spolehlivosti. I když se lze k výsledné hodnotě MTBF (Mean Time Between Failures – Střední doba mezi poruchami), nebo její převrácené hodnotě FR (Failure Rate), dopracovat manuálním výpočtem, není to jistě optimální způsob práce s přihlédnutím k ceně a možnostem dostupných programů.
Nejjednodušší metoda stanovení MTBF – tzv. Parts Count – je založena na údajích o typech použitých součástek a jejich počtu při určité teplotě okolního prostředí. Protože na spolehlivost součástek má vliv nejenom jejich teplota a typ, ale i jejich provozní zatížení (Parts Stress) v podobě výkonu, napětí a proudu, je v případě této metody nastaveno zatížení součástek na 50 % jejich provozních hodnot, aniž se bere ohled na skutečné zatížení. Rezistor 0,5 W je jakoby zatížen na 0,25 W, kondenzátor 50 V je zatížen max. na 25 V atd. K výpočtu MTBF podle této metody stačí výpis použitého materiálu. Je to rychlá a jednoduchá metoda výpočtu, která však nezaručuje, že 50% zatížení součástek bude vyhovovat. Na druhé straně dává velmi konzervativní výsledek, při kterém některé součástky mohou být předimenzované.
Pochopitelně, že lepším a přesnějším způsobem stanovení MTBF je výpočet založený na skutečném zatížení součástek – tzv. metoda Parts Stress. Hodnoty napětí, proudu či výkonu se zadávají buď ručně na základě známých nebo vypočtených či odměřených údajů, nebo lépe automaticky z výsledků simulací, které program provede na daném zapojení. V takovém případě je zjištěná hodnota MTBF bližší realitě a bývá vyšší (obr. 1), protože součástky mohou být dimenzovány optimálněji než při předpokladu 50% zatížení. Vyšší MTBF může ocenit budoucí zákazník, optimálně dimenzované součástky potom výrobce, protože vycházejí levněji.
Obr. 1 Porovnání výsledných hodnot MTBF podle Parts Count a Parts Stress v programu fiXtress
Kromě základních parametrů, které mají vliv na spolehlivost, jako jsou typ součástky, zatížení a teplota, může hrát svoji roli i účel použití (průmyslová či vojenská elektronika atd.), stejně jako způsob výpočtu MTBF podle určitého standardu (viz dále).
V průběhu doby vzniklo několik standardů pro výpočet MTBF, které zohledňují různé pohledy na požadavky spolehlivosti. Jedním z nejznámějších je americký standard HDBK‑217 v několika verzích, který vychází z požadavků kladených na vojenskou elektroniku. Dalšími jsou např. Telcordia (SR‑332), Siemens SN‑29500 či British Telecom (HRD5), IEC 62380 atd.
Většina programů se zabývá výpočtem MTBF podle metody Parts Count, čili s uměle nastaveným zatížením (stress) na určitou hodnotu při dané teplotě. Některý software tohoto druhu je i zdarma, protože propaguje konzultační činnost jeho výrobce v oblasti spolehlivosti [1]. Je dobré se podívat, které standardy pro výpočet MTBF jednotlivé programy nabízejí, protože nemusí zahrnovat zrovna ten potřebný.
Oběma metodám (Parts Count a Parts Stress) pro zjištění spolehlivosti se věnuje pouze několik málo programů, například fiXtress od izraelské společnosti BQR [2].
V této souvislosti nezbývá než konstatovat, že nejvíce propracované bývají programy ze zemí, kde jsou také nejvíce využívány – USA a Izrael.
Software pro výpočet MTBF mívá podobu tabulkového procesoru, takže se vůbec nepodobá grafickým vývojovým programům používaným v elektronice, protože se jedná o zpracování dat o součástkách.
Protože se při výpočtu MTBF uvažují součástky, a případně i jejich zapojení, používají se údaje ze schematického zapojení v podobě výpisu materiálu a netlistu. I když je nakonec celý obvod usazen na desku plošných spojů, která je dále montována do zařízení, nebere se provedení desky a ani prostředí při určení spolehlivosti do úvahy. Obecně se má za to, že vliv součástek je nejdůležitější. Přesto existují programy, jako např. Sherlock od americké firmy DfR Solutions [3], které se zaměřují právě na tuto stránku spolehlivosti a berou v úvahu spíše mechanické záležitosti, jako jsou pájené spoje, vibrace, rozložení teploty desky atd.
Obr. 2 Záběr na jedno z prostředí programu fiXtress MTBF při práci. Spolehlivost jednotlivých součástek je vyjádřena hodnotou FR (Failure Rate = převrácená hodnota MTBF) při nastavené teplotě T (25 °C), použití Env (GB = Ground Base) a výpočtu podle standardu Pred.Met (Prediction Method = T332.3). Vypočtené MTBF (hrs) platí pro celý obvod.
Software fiXtress se skládá z modulů, které na sebe navazují podle způsobu práce při zjišťování MTBF. Jednotlivé moduly se aktivují dodaným licenčním kódem.
fiXtress MTBF je základním modulem programu fiXtress, na který navazují další. Pracuje metodou Parts Count, to znamená, že předpovídá MTBF při 50% vytížení součástek. Importuje výpis materiálu a načteným součástkám přiřadí modely z knihoven programu – ty zohledňují i provedení dané součástky (např. různé typy kondenzátorů nemají stejnou spolehlivost). Knihovny se aktualizují čtyřikrát ročně, uživatel má k dispozici editor modelů pro vlastní použití. Pro celý obvod se také nastaví účel použití obvodu (tzv. Environment, který má několik kategorií) a teplota prostředí, případně i několik teplot pro zjištění vlivu na MTBF.
K dispozici je jeden standard výpočtu MTBF podle výběru uživatele (HDBK‑217F2, HDBK‑217G, Siemens SN29500, IEC62380, FIDES, T3), další standardy lze dokoupit.
fiXtress MTBF + SDA představuje přechodový modul mezi výpočtem MTBF metodou Parts Count a Parts Stress. Zahrnuje základní, výše popsaný modul MTBF, a navíc umožňuje provést tzv. Stress Derating – to znamená upravovat zatížení součástek podle potřeby.
fiXtress Rapid pracuje metodou Parts Stress, kdy hodnoty zatížení jednotlivých součástek jsou programem spočítány pomocí Ohmova zákona ze zadaných výchozích údajů (např. napájecí napětí, hodnoty zapsané ve schématu atd.) nebo z hodnot definovaných manuálně. Tento modul opět zahrnuje předešlé dva moduly a je vhodný zejména v případech předběžného výpočtu MTBF u nedokončeného vývoje celého zapojení. Vyžaduje načtení výpisu materiálu a netlistu, ze kterého program získá přehled o vzájemném propojení součástek.
fiXtress Precise pracuje metodou Parts Stress, přičemž potřebné hodnoty zatížení si program získává pomocí vlastního DC/AC/BUS simulátoru, který využitím Kirchhoffových zákonů a Fourierovy analýzy nabízí přesné výsledky. Vyžaduje výpis materiálu, netlist a další potřebná data pro simulaci, např. informaci o použitých kmitočtech. Jedná se o kompletní verzi programu fiXtress, který zahrnuje všechny již zmíněné moduly, a tak je vhodný zejména pro dokončený vývoj celého obvodu. Výsledky bývají nejpřesnější při současné optimalizaci zatížení součástek.
Obr. 3 Příklad zapojení, ve kterém si program umí spočítat zatížení jednotlivých součástek. Pokud napětí jednotlivých sítí spojů (nets) není ze schématu zřejmé, lze ho definovat ručně na základě měření, simulací nebo odhadu.
Výsledkem výpočtu MTBF v programu fiXtress není jen samotná hodnota MTBF a FR, ale i několik dalších potřebných informací, například zjištění předimenzovaných a poddimezovaných součástek, vliv jednotlivých skupin součástek na spolehlivost celku (obr. 4), vliv teploty na celkovou hodnotu MTBF atd.
Obr. 4 Příklad výstupů programu fiXtress – podíl jednotlivých skupin součástek na selhání celého systému (vlevo) a závislost výsledného MTBF na teplotě (vpravo)
Další informace o programu fiXtress jsou k dispozici na webu výrobce [2] nebo distributora www.cadware.cz
Odkazy a literatura:
[2] www.bqr.com
[4] Reliability and MTBF Overview (www.vicorpower.com/documents/quality/Rel_MTBF.pdf)
[5] MTBF vs. Reliability (www.profaceamerica.com/sites/default/files/cms/cms/resource_library/files/6fef09c498f66461/mtbf_communique.pdf)
[6] Reliability estimation for electronic designs (www.iwavesystems.com/skin/frontend/default/electronicstore/pdf/Reliability_estimation_for_electronic_design.pdf)
