電路設計、整合與精通

可靠度(reliability)

一支手電筒,多年來每次你需要時都亮,那是可靠的;一支在店裡能用、一個月後卻死在你包包裡的,就不可靠,不管它看起來多聰明。可靠度是一個電路在它將面對的真實條件下——熱、冷、振動、老化與虐待——持續正確地、做它該做的事、做夠它該做的那麼久的機率。它是「在工作台上不過動一次的設計」與「在數千人手中橫跨多年持續運作的設計」之間的差別。

產品一生中的失效,著名地描出一條浴缸曲線。最初,失效率很高,因為虛弱、做壞的單品很快就死——早夭,製造商用老化測試(出貨前先讓單品熱跑一陣子)把它們挑掉。接著是一段長而平坦的低隨機失效谷底,也就是有用壽命。最後失效率再度爬升,因為零件耗損:電解電容乾涸、焊點疲勞、接點腐蝕。工程師有時會引用 MTBF(平均失效間隔時間),但要誠實地讀它——一百萬小時的 MTBF 並不表示每個單品能撐一百萬小時;它是平坦谷底期間的一個統計速率,不是被承諾的壽命。

你主要靠減少應力來換得可靠度,因為熱與電應力驅動了多數失效:為零件降額、把熱導走、讓電解電容保持涼爽、保護輸入免受突波與靜電放電,並捨棄脆弱的聰明把戲、改採簡單堅固的做法。誠實在這裡是核心。可靠度無法在最後「測進去」,它必須從一開始就「設計進去」,而且它是統計性的——你無法保證單一單品永不失效,只能改變勝算。一位好設計者也為失效而設計:選擇電路如何安全地失效,並尊重「會耗損的部分(熱、電容、接頭、任何機械的東西)值得最多裕度」這件事。

兩片板子在第一天都符合規格。A 板把電解電容擺在發熱的穩壓器旁;B 板把它放到板子另一頭,並為它的電壓降額。一年後,A 的電容已乾涸、板子失效,而 B 仍在運行——相同的電路圖,截然不同的可靠度,由應力與熱所決定。

相同電路圖、不同壽命——可靠度是透過應力與熱設計進去的,不是最後才加上去的。

MTBF 是浴缸曲線平坦段期間的一個速率,不是被保證的壽命。一百萬小時的 MTBF 不代表一個單品能撐一百萬小時——它代表它在有用壽命期間有一個低的隨機失效率。

又稱
dependabilityMTBF可靠性妥善率