Wie kann man ungefähr wissen, ob ein elektronisches System bald ausfallen wird, und sich davor schützen?

Sie müssen nach Informationen über RAMS- Engineering (Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit und Sicherheit) suchen.

Grundlegende RAMS-Konzepte und -Techniken

• Ausfallrate : Anzahl der erwarteten Ausfälle eines Bauteils, einer Baugruppe oder eines Produkts pro Zeiteinheit.
• MTTF (mittlere Zeit bis zum Ausfall) / MTBF (mittlere Zeit zwischen Ausfällen) : der Kehrwert der Ausfallrate. Die erwartete Zeit, in der Ihre Komponente/Baugruppe/Einheit unter bestimmten Bedingungen betrieben wird, bis ein Fehler auftritt.
• ER (Established Reliability) vs. Nicht-ER-Komponenten : Sogenannte Hi-Rel (High Reliability)-Komponenten werden häufig in Chargen getestet, um ihre Ausfallrate festzustellen, was sie teuer macht. Für Nicht-ER-Komponenten wird dagegen eine eher pessimistische Ausfallrate nach tabellarischen Werten angenommen.
• Parts Count Analysis (PCA) / Parts Stress Analysis (PSA) : Eine Methode zur Berechnung des erwarteten Werts für die Ausfallrate einer Baugruppe/eines Produkts, die aus der Ausfallrate jeder Komponente und der damit verbundenen Belastung (Temperatur, Feuchtigkeit, Leistung) abgeleitet wird /Spannungs-/Stromreduzierung usw.).

• Derating : Der Prozentsatz der maximalen Leistung/Spannung/Stromstärke, bei der die Komponente/Baugruppe/das Produkt arbeitet. Je höher das Derating, desto geringer die Belastung und desto länger die MMTF.

• Badewannenkurve : Eine Kurve, die beschreibt, wie sich die Ausfallrate während der Nutzungsdauer des Bauteils/der Baugruppe/des Produkts ändert. Siehe Bild unten.

• Burn-in : ein zerstörungsfreier, anfänglicher Hochtemperaturtest (beschleunigte Alterung), der darauf abzielt, frühe Ausfälle in bereits defekten Komponenten/Baugruppen/Produkten auszulösen. Es ist eine Art Screening-Test.
• Lebensdauertest : ein zerstörerischer Hochtemperaturtest (beschleunigte Alterung), der dazu bestimmt ist, die Zuverlässigkeit einer ganzen Menge von Komponenten/Baugruppen/Produkten anhand einer reduzierten Stichprobe festzustellen, die diesem Test unterzogen wird.

Bildquelle . _

Wo soll ich anfangen?

1. Laden Sie MIL-HDBK-217F, ZUVERLÄSSIGKEITSPROGNOSE VON ELEKTRONISCHEN GERÄTEN herunter . Dort finden Sie fast alle Tabellenwerte, die Sie benötigen. Sie müssen nicht alle darin beschriebenen Methoden von Anfang an implementieren, also keine Panik wegen der Komplexität.
2. Erstellen Sie eine Excel-Tabelle für grundlegende Zuverlässigkeitsdaten aus Ihrer Stückliste (BOM). Die Spalten müssen mindestens die folgenden Informationen über die Komponenten enthalten: P/N, Beschreibung und Basisfehlerrate. Wir werden bei Bedarf später weitere Informationen hinzufügen.
3. Füllen Sie das Excel-Blatt mit Daten zur Basisausfallrate aus und führen Sie eine einfache PCA durch, um Ihre erste grobe Annäherung an die Ausfallrate und MTTF Ihrer Baugruppe/Ihres Produkts zu berechnen. Vergessen Sie nicht, die Lötstellen in die Analyse einzubeziehen!
4. Sehen Sie sich die Ergebnisse Ihrer PCA an und vergleichen Sie sie mit der für Ihre Anwendung erforderlichen MTTF:
   • Wenn die PCA eine unzureichende MTTF liefert, sind Sie bereits in Schwierigkeiten und sollten zu Ihrem Design, Ihrer Teileauswahl oder Ihren Berechnungen zurückkehren, um zu überprüfen, was daran falsch ist.
   • Wenn die PCA eine MTTF liefert, die weit über Ihrer Anforderung liegt (um das 1000-fache oder mehr), sollten Sie hier vielleicht aufhören. Überprüfen Sie einfach, dass keine Komponenten zu nahe an ihren maximalen Nennwerten arbeiten).
   • Wenn die PCA eine MTTF liefert, die über Ihrer Anforderung liegt, jedoch ohne ausreichenden Spielraum, müssen Sie die tatsächlichen Spannungen für die Komponenten berechnen.

5. Wenn Ihre PCA nicht schlüssig war, müssen Sie eine PSA mit den tatsächlichen Belastungen und Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit) Ihrer Baugruppe / Ihres Produkts durchführen:

   • Gehen Sie zurück zu Ihrem Excel-Blatt und fügen Sie weitere Spalten hinzu, um die Pi-Faktoren in MIL-HDBK-217F (Temperatur, Qualität, Umwelt, Nennleistung, Spannungsbelastung usw.) zu berücksichtigen. Der Pi-Faktor sind Modifikatoren der Basisausfallrate gemäß den tatsächlichen Belastungsbedingungen.
   • Füllen Sie die neuen Felder in Ihrem Excel-Blatt mit Daten aus den Bauteildatenblättern, aber auch aus Ihren eigenen Schaltungssimulationen und Berechnungen.
   • Berechnen Sie die modifizierten Ausfallraten für jede Komponente gemäß ihren Pi-Faktoren neu.
   • Berechnen Sie die Gesamtausfallrate und MTTF Ihrer Baugruppe/Ihres Produkts neu.
   • Sehen Sie sich die Ergebnisse Ihres PSA an und vergleichen Sie sie mit der für Ihre Anwendung erforderlichen MTTF. Wenn die Ergebnisse gut sind, dann sind Sie fertig. Wenn nicht, suchen Sie nach den Komponenten, die am meisten zur Gesamtausfallrate beitragen, und gehen Sie ihre Probleme einzeln an : Ersatzkomponente mit höherer Leistung/Spannung/Stromstärke erforderlich? Änderungen bestimmter Designwerte erforderlich, um zu viel Leistung/Spannung/Strom in der problematischen Komponente zu vermeiden? Kühlkörper erforderlich? usw.

6. Wenn Sie alles in Ihrer Macht Stehende getan haben, um die Gesamtausfallrate zu reduzieren, aber immer noch keine MTTF erhalten, die mit Ihren Anforderungen kompatibel ist, sollten Sie Ihrem Design möglicherweise Redundanz hinzufügen, die jedoch speziell auf Unterbaugruppen Ihres Produkts mit hoher ausgerichtet ist Teilausfallraten. Redundanz darf nur dann eingeführt werden, wenn MTTF-Berechnungen dies erfordern, und niemals präventiv. Warum? Weil Redundanz das Hinzufügen von Schaltelementen erfordert, die selbst ausfallen und ebenfalls unnötige Komplexität einführen können.

7. Auch wenn Ihr PCA/PSA sagt, dass alles in Ordnung ist, denken Sie daran, dass dies nur für zufällige Fehler gilt! Die PCA/PSA befasst sich nicht mit den Frühausfallraten fehlerhafter Komponenten/Baugruppen/Produkte. Daher wird ein Burn-In Ihres Produkts vor dem Einsatz im Feld dringend empfohlen.

8. Wenn Sie aktuelle statistische Daten über die Nutzungsdauer Ihrer Baugruppe/Ihres Produkts haben möchten, sollten Sie vielleicht einen Lebensdauertest durchführen. Aber das bedeutet, Geld für die Proben auszugeben, die während der Lebensdauertests zerstört oder abgenutzt werden, und Zeit (normalerweise etwa 1.000 Stunden oder mehr, abhängig von der Testtemperatur) und Mittel zu haben, um sie durchzuführen.

Anmerkungen unten:

1. Es gibt auch spezialisierte Softwarepakete zur Zuverlässigkeitsvorhersage, die Ihnen all diese Berechnungen erleichtern. Nur Sie können entscheiden, ob Ihre Anwendung und Ihr Business Case eine solche Investition erfordern.

2. Hier ist eine kostenlose Software zur Zuverlässigkeitsvorhersage, die ich gefunden habe (Offenlegung: Ich habe sie nie benutzt).

3. Ich habe erfolglos nach Zuverlässigkeitsdaten (MTBF) für Raspberry Pi gesucht ...

Ich würde mir die doppelte Redundanz ansehen: zwei Platinen, von denen jede sich selbst überwacht, die zweite Platine und gemeinsame Ressourcen wie die Stromversorgung. Der Ausgang muss zustimmen, um kritische Dinge anzusteuern, und dies kann mit einem einfachen Dioden-ANDing erreicht werden. Kritische Dinge können die Aktivierung der Stromversorgung von Motoren oder anderen beweglichen Dingen sein. Die tatsächliche Implementierung hängt wirklich von Ihrer Schaltung und Anwendung ab.

Jedes Board kann ein „Lebenszeichen“ an das andere ausgeben, und das kann wirklich so tief oder flach sein, wie Sie möchten. Ein einfacher UART-to-other, der eine inkrementierende Zählung sendet, ist oberflächlich, da er zeigt, dass der andere lebt, aber nicht in welchem ​​​​Grad. Ein tieferes Schema wäre, einen Zustandswert dafür auszutauschen, wie jede Platine auf ihre Eingänge reagiert hat, und jedes Gatter die kritischen Ausgänge per Dioden-AND zu deaktivieren, wenn sie nicht übereinstimmen.

Ich habe das alles (Dioden-ANDing, Zustandsaustausch) einmal für ein sehr kritisches System gemacht und es hat gut funktioniert. Aber Sie müssen eine klare Vorstellung davon haben, was die Zustände sind, bevor Sie beginnen, da es nicht einfach ist, mit Entwicklungen zu arbeiten, die „optimiert und angepasst“ werden.

Sie könnten auch einen Betriebslebensdauer-Timer einbauen, wobei jede Einheit die Anzahl der Sekunden/Minuten/Stunden, die sie gelaufen ist, und die Anzahl der Stunden seit dem ersten Einschalten verfolgt. Das von Anfang an in Ihr System zu integrieren, kann aufschlussreicher sein, da Ihre Anwendung viel Kilometer verbraucht und oft billig zu implementieren ist.