CN107908845B - 一种车载多媒体系统可靠性分析方法 - Google Patents

一种车载多媒体系统可靠性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载多媒体系统，涉及车载多媒体技术领域，该系统包括以下内容，车载多媒体系统可靠性分配、车载多媒体系统可靠性建模、车载多媒体系统可靠性预计和车载多媒体系统失效率计算；车载多媒体系统采用评分分配法。本发明采用评分分配法对车载多媒体系统的可靠性进行分配、建模和预计，通过定量分配、预计和评估系统可有效提高系统的基本可靠性；本发明为车载多媒体系统失效率提供预计；本发明可以发现车载多媒体系统中的薄弱环节；本发明可为车载多媒体系统的系统故障提供预防措施；本发明为车载多媒体系统中元器件的优选提供依据。

Description

一种车载多媒体系统可靠性分析方法
技术领域
本发明涉及车载多媒体技术领域，特别是涉及一种车载多媒体系统可靠性分析方法。
背景技术
随着科技的发展，嵌入式系统广泛应用于车载多媒体系统中。但是，车载环境较为恶劣，车辆可能行驶和停放在各种环境中，车载多媒体系统需经受高温、低温、高低温交替变化、光照老化等多种极端环境条件的考验，这对车载多媒体系统的使用可靠性提出了较高要求。目前，没有专门的对车载多媒体系统可靠性进行分析的方法，导致车载多媒体系统容易出现故障，车载多媒体系统失效率无法估计，且车载多媒体系统薄弱环节无法发现。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种车载多媒体系统。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种车载多媒体系统可靠性分析方法，包括以下内容，车载多媒体系统可靠性分配、车载多媒体系统可靠性建模、车载多媒体系统可靠性预计和车载多媒体系统失效率计算；车载多媒体系统采用评分分配法，评分是以各模块/元器件的复杂度、技术成熟水平、工作时间、故障后果和环境条件作为评分因素，请该领域专家进行评分，将一个分配层次的模块或元器件的各评分因素相乘，再将多名专家的评分因素相乘结果进行平均，最后将平均值加权，求得单个模块/元器件的失效率；
故障率分配指标：
Figure GDA0002923525670000011
(TBF为预设的可靠性指标)，单元的故障率：
Figure GDA0002923525670000021
(
Figure GDA0002923525670000022
为分配给第i个单元的故障率，单位为10-6h-1；Ci为分配系数；
Figure GDA0002923525670000023
为规定的故障率分配指标，单位为10-6h-1)，
车载多媒体系统的可靠度：
RS＝RA×RB×RC×RD×RE×RF×RG×RH×RI(A、单片集成电路，B、半导体分立器件，C、光电子器件，D、电阻，E、电容，F、感性元件，G、连接器，H、谐振器和振荡器，I、其他元器件，)，采用普通概率法建立可靠性数学模型；
元器件工作失效率：λP＝πQ[C1πTπV+(C2+C3)πE]πL(λP为工作失效率，单位为10-6/h，πE为环境系数，πQ为质量系数，πL为成熟系数，πT为温度应力系数，其值取决于电路的工艺和电路的结温Tj，πV为电压应力系数，C1和C2为电路复杂度失效率，C3为封装复杂度失效率，)，
电路的结温Tj＝Tc+Rth(j-c)P(Tj为电路处于最恶劣状态时的结温，Tc为管壳温度，单位为℃，Rth(j-c)为结到管壳的热阻，单位为℃/W，P为系统处于最恶劣状态时，电路所承受的功率，单位为W，如果功率值未知，则采用相应电路规范的最大功耗，)，
车载多媒体系统的工作失效率：
Figure GDA0002923525670000024
(λP为元器件工作失效率，)，
平均故障间隔时间：
Figure GDA0002923525670000031
优选的，所述车载多媒体系统包括单片集成电路和分立电子元器件，所述单片集成电路包括CPU、视频处理芯片、微控制器、CAN控制器、内容、音频调谐芯片、音频处理芯片、音频放大芯片、FLASH、蓝牙芯片、wifi芯片、GPS芯片、通信芯片、实时时钟、USB HUB、降压变压器、稳压器、整流器、调压器、DC-DC转换器和数模转换器，所述分立电子元器件包括半导体分立器件、光电子器件、电阻、电容、感性元件、连接器、谐振器和振荡器。
优选的，所述评分需要对系统失效率进行逐级分配，根据系统组成，按照不同分配层次，建立分配层次结构，该结构终止于不可再分或者可靠性已知的模块或元器件。
优选的，所述车载多媒体系统的硬件上不存在冗余设计，一种功能工作模式执行一种特定的功能。
优选的，所述预设的可靠性指标需要预留一定的余量。
优选的，所述车载多媒体系统中任一功能模块的故障将会影响整体多媒体功能的实现，提高百车故障率。
在车载多媒体系统的方案和初步设计阶段进行可靠性分配，可使各级设计人员明确其可靠性设计要求，根据要求估计所需的人力、时间和资源，并研究实现这些要求的可能性及方法。在车载多媒体系统研发过程的试制阶段，可靠性建模与预计系统可靠性预计的目的是估计系统、分系统或设备的基本可靠性和任务可靠性，评价所提出的设计方案是否能满足规定的可靠性定量要求。
本发明的有益效果在于：本发明采用评分分配法对车载多媒体系统的可靠性进行分配、建模和预计，通过定量分配、预计和评估系统可有效提高系统的基本可靠性；本发明为车载多媒体系统失效率提供预计；本发明可以发现车载多媒体系统中的薄弱环节；本发明可为车载多媒体系统的系统故障提供预防措施；本发明为车载多媒体系统中元器件的优选提供依据。
附图说明
图1为本发明的整体分配层次图；
图2为本发明的单片集成电路分配层次图；
图3为本发明的半导体分立器件分配层次图；
图4为本发明的感性元件分配层次图；
图5为本发明的可靠性框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
车载多媒体系统采用评分分配法进行分析检测，车载多媒体系统的分析检测包括车载多媒体系统可靠性分配、车载多媒体系统可靠性建模、车载多媒体系统可靠性预计和车载多媒体系统失效率计算。评分是以各模块/元器件的复杂度、技术成熟水平、工作时间、故障后果和环境条件作为评分因素，请该领域专家进行评分，将一个分配层次的模块或元器件的各评分因素相乘，再将多名专家的评分因素相乘结果进行平均，最后将平均值加权，求得单个模块/元器件的失效率。
如图1、图2、图3和图4所示，车载多媒体系统包括单片集成电路和分立电子元器件，单片集成电路包括CPU、视频处理芯片、微控制器、CAN控制器、内容、音频调谐芯片、音频处理芯片、音频放大芯片、FLASH、蓝牙芯片、wifi芯片、GPS芯片、通信芯片、实时时钟、USBHUB、降压变压器、稳压器、整流器、调压器、DC-DC转换器和数模转换器，分立电子元器件包括半导体分立器件、光电子器件、电阻、电容、感性元件、连接器、谐振器和振荡器。评分需要对系统失效率进行逐级分配，根据系统组成，按照不同分配层次，建立分配层次结构，该结构终止于不可再分或者可靠性已知的模块或元器件。
故障率分配指标：
Figure GDA0002923525670000055
(TBF为预设的可靠性指标)，预设的可靠性指标需要预留一定的余量。单元的故障率：
Figure GDA0002923525670000051
(
Figure GDA0002923525670000052
为分配给第i个单元的故障率，单位为10-6h-1；Ci为分配系数；
Figure GDA0002923525670000053
为规定的故障率分配指标，单位为10-6h-1。)，图中虚线框中罗列的模块代表为不可继续分配，设置为分配的终止层次。
单片集成电路可靠性分配评分结果
Figure GDA0002923525670000054
Figure GDA0002923525670000061
单片集成电路失效率分配结果
Figure GDA0002923525670000062
Figure GDA0002923525670000071
针对一个分配层次的模块或元器件，将各评分因素相乘，再将多名专家的评分因素相乘结果进行平均，最后将平均值加权，求得单个模块/元器件的失效率。
失效率分配结果
Figure GDA0002923525670000072
Figure GDA0002923525670000081
对于车载多媒体系统，硬件上不存在无冗余设计，即一种功能工作模式执行一种特定的功能。另外，维修保障方面，任一功能模块的故障将会影响整体多媒体功能的实现，提高百车故障率，建立车载多媒体系统可靠性框图，如图5所示。
根据图5所示的可靠性框图，该车载多媒体系统系统可以分为9个单元，采用普通概率法建立可靠性数学模型。
该车载多媒体系统的可靠度为
RS＝RA×RB×RC×RD×RE×RF×RG×RH×RI(A、单片集成电路，B、半导体分立器件，C、光电子器件，D、电阻，E、电容，F、感性元件，G、连接器，H、谐振器和振荡器，I、其他元器件。)。
元器件工作失效率：λP＝πQ[C1πTπV+(C2+C3)πE]πL(λP为工作失效率，单位为10-6/h；πE为环境系数，见表1；πQ为质量系数，见表2；πL为成熟系数，见表3；πT为温度应力系数，其值取决于电路的工艺和电路的结温Tj，见表6和表7；πV为电压应力系数，见表8和表9；C1和C2为电路复杂度失效率，见表10；C3为封装复杂度失效率，见表11。)。
电路的结温Tj＝Tc+Rth(j-c)P(Tj为电路处于最恶劣状态时的结温；Tc为管壳温度，单位为℃，见表4；Rth(j-c)为结到管壳的热阻，单位为℃/W，见表5；P为系统处于最恶劣状态时，电路所承受的功率，单位为W，如功率值未知，则采用相应电路规范的最大功耗。)。
半导体单片集成电路的工作失效率模型
Figure GDA0002923525670000091
元器件工作失效率λP汇总
Figure GDA0002923525670000101
Figure GDA0002923525670000111
Figure GDA0002923525670000121
各部分的工作失效率λP
序号 类别 工作失效率λ<sub>P</sub>/(10<sup>-6</sup>/h)
A 单片集成电路
B 半导体分立器件
C 光电子器件
D 电阻
E 电容
F 感性元件
G 连接器
H 谐振器和振荡器
I 其他元器件
车载多媒体系统的工作失效率为
Figure GDA0002923525670000122
平均故障间隔时间为
Figure GDA0002923525670000131
表1环境系数πE
Figure GDA0002923525670000133
表2单片集成电路质量等级与质量系数πQ
Figure GDA0002923525670000132
Figure GDA0002923525670000141
表3成熟系数πL
Figure GDA0002923525670000142
表4半导体集成电路管壳温度的参考值
Figure GDA0002923525670000144
表5结到管壳的热阻的参考值
Figure GDA0002923525670000143
Figure GDA0002923525670000151
表6单片数字电路的πT
T<sub>j</sub>/℃ π<sub>T</sub> T<sub>j</sub>/℃ π<sub>T</sub> T<sub>j</sub>/℃ π<sub>T</sub> T<sub>j</sub>/℃ π<sub>T</sub>
25 0.10 53 0.53 81 2.17 115 9.09
27 0.11 55 0.59 83 2.38 120 10.99
29 0.13 57 0.66 85 2.60 125 13.23
31 0.15 59 0.73 87 2.85 130 15.85
33 0.17 61 0.81 89 .11 135 18.90
35 0.19 63 0.90 91 3.40 140 22.45
37 0.21 65 1.00 93 3.71 145 26.55
39 0.24 67 1.10 95 4.04 150 31.28
41 0.27 69 1.22 97 4.40 155 36.71
43 0.30 71 1.35 99 4.78 160 42.92
45 0.34 73 1.48 101 5.20 165 50.00
47 0.38 75 1.63 103 5.65 170 58.05
49 0.43 77 1.80 105 6.12 175 67.18
51 0.48 79 1.97 110 7.48 — —
表7单片模拟电路的πT
T<sub>j</sub>/℃ π<sub>T</sub> T<sub>j</sub>/℃ π<sub>T</sub> T<sub>j</sub>/℃ π<sub>T</sub> T<sub>j</sub>/℃ π<sub>T</sub>
25 0.10 53 0.88 81 5.54 115 35.17
27 0.12 55 1.01 83 6.14 120 45.02
29 0.14 57 1.16 85 6.91 125 57.28
31 0.16 59 1.33 87 7.77 130 72.44
33 0.19 61 1.52 89 8.72 135 91.08
35 0.23 63 1.74 91 9.78 140 113.89
37 0.27 65 1.99 93 10.95 145 141.66
39 0.31 67 2.27 95 12.25 150 175.28
41 0.36 69 2.58 97 13.68 155 215.82
43 0.42 71 2.94 99 15.26 160 264.45
45 0.49 73 3.33 101 17.01 165 322.53
47 0.57 75 3.78 103 18.93 170 391.62
49 0.66 77 4.27 105 21.04 175 473.45
51 0.76 79 4.83 110 27.30 — —
表8电压应力系数πV
Figure GDA0002923525670000161
表9 CMOS电路的电压应力系数πV
Figure GDA0002923525670000162
表10单片模拟电路的复杂度失效率C1及C2
Figure GDA0002923525670000163
Figure GDA0002923525670000171
表11封装复杂度失效率C3
Figure GDA0002923525670000172
Figure GDA0002923525670000181
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (5)

1.一种车载多媒体系统可靠性分析方法，其特征在于：包括以下内容，车载多媒体系统可靠性分配、车载多媒体系统可靠性建模、车载多媒体系统可靠性预计和车载多媒体系统失效率计算；车载多媒体系统可靠性分配采用评分分配法，评分是以各模块或元器件的复杂度、技术成熟水平、工作时间、故障后果和环境条件作为评分因素，请专家进行评分，将一个分配层次的模块或元器件的各评分因素相乘，再将多名专家的评分相乘结果进行平均，最后将平均值加权，求得单个模块或元器件的失效率；
故障率分配指标：
Figure FDA0002955991210000011
Figure FDA0002955991210000012
单位为10-6h-1，T*BF为预设的可靠性指标，单元的故障率：
Figure FDA0002955991210000013
Figure FDA0002955991210000014
为分配给第i个单元的故障率，单位为10-6h-1；Ci为分配系数；
车载多媒体系统的可靠性：
RS＝RA×RB×RC×RD×RE×RF×RG×RH×RI，A、单片集成电路，B、半导体分立器件，C、光电子器件，D、电阻，E、电容，F、感性元件，G、连接器，H、谐振器和振荡器，I、其他元器件，采用普通概率法建立可靠性数学模型；
元器件工作失效率：λP＝πQ[C1πTπV+(C2+C3)πE]πL，单位为10-6/h，πE为环境系数，πQ为质量系数，πL为成熟系数，πT为温度应力系数，其值取决于电路的工艺和电路的结温Tj，πV为电压应力系数，C1和C2为电路复杂度失效率，C3为封装复杂度失效率；
电路的结温Tj＝Tc+Rth(j-c)P，Tc为管壳温度，单位为℃，Rth(j-c)为结到管壳的热阻，单位为℃/W，P为系统处于最恶劣状态时，电路所承受的功率，单位为W，如果功率值未知，则采用相应电路规范的最大功耗；
车载多媒体系统的工作失效率：
Figure FDA0002955991210000021
平均故障间隔时间：
Figure FDA0002955991210000022
2.根据权利要求1所述的一种车载多媒体系统可靠性分析方法，其特征在于：所述车载多媒体系统包括单片集成电路和分立电子元器件，所述单片集成电路包括CPU、视频处理芯片、微控制器、CAN控制器、内容、音频调谐芯片、音频放大芯片、FLASH、蓝牙芯片、wifi芯片、GPS芯片、实时时钟、USB HUB、降压变压器、稳压器、整流器、调压器、DC-DC转换器和数模转换器，所述分立电子元器件包括半导体分立器件、光电子器件、电阻、电容、感性元件、连接器、谐振器和振荡器。
3.根据权利要求1所述的一种车载多媒体系统可靠性分析方法，其特征在于：所述评分需要对系统失效率进行逐级分配，根据系统组成，按照不同分配层次，建立分配层次结构，该结构终止于不可再分或者可靠性已知的模块或元器件。
4.根据权利要求1所述的一种车载多媒体系统可靠性分析方法，其特征在于：所述车载多媒体系统的硬件上不存在冗余设计，一种功能工作模式执行一种特定的功能。
5.根据权利要求1所述的一种车载多媒体系统可靠性分析方法，其特征在于：所述预设的可靠性指标需要预留余量。
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