摘 要：用元器件计数法对全彩LED电子显示屏的可靠性进行预计，并针对该实例分析影响系统可靠性的因素，提出提高系统可靠性的途径。
关键词：可靠性 失效率 平均无故障工作时间
1 引言
LED电子显示屏是以先进的视频显示技术为核心，采用超高亮LED电致发光材料为显示器件，配以音视频系统，可以声像同步播放各种图文信息及多媒体信息。它溶LED显示技术、视觉原理、计算机技术、视频技术、电子技术于一体，主要用于户内、户外大型电子图文显示及视频图象显示，广泛用于各种标准化营业窗口（如金融、邮电、电力、冶金、石化等行业）、广告宣传、文体中心、公共场所（机场、车站、港口）的图文显示，具有十分广阔的应用前景。与所有产品一样，LED产品是否具有较高的可靠性，将直接关系到产品的实际使用价值。因此，在对LED显示屏进行设计时，当系统的性能指标及费用等要求提出后，就希望所研制的显示屏能够达到较高的可靠性，具有较长的使用寿命，较好的工作稳定性、易维修性及安全性等。基于这些要求，在研制生产之前必须对系统中各个模块所用元器件的性能、可靠性进行分析，并对整个LED显示屏的最终稳定状态进行预估计算，分析出系统中失效率较高的单元，从而采取必要的纠正措施（如应用冗余系统、更换元件、制定定期维修程序、严格控制制造工艺和严格控制检验等）改进系统、减小失效率，把设计精力集中在系统最弱的地方。此外，可靠性分析可以帮助设计人员进行各种设计方案之间的比较，找到使系统可靠性指标达到最高的设计方案，并为选择系统的部件、元器件、零件和材料提供依据，为设计评审、故障模式、影响与危害性分析、维修性分析、后勤保障、热设计等提供信息。
2 可靠性预计方法
可靠性预计的方法较多，本文采用的元器件计数法是在初步设计阶段使用的预计方法[1]。在这个阶段中，每种通用元件的数量已经基本确定，在以后的研制和生产阶段整个设计的复杂度预期不会有明显的变化。元器件计数法假定元件的寿命是指数分布的（即元器件失效率恒定）。
元器件计数法中产品失效率的一般表达式是：
对一定的环境来说，式中：λ产品为产品总失效率，λi为第i类元件的通用失效率，πGi为第i类元件的质量系数，Ni为第i类元件的数量，N为不同的元件种类数。
3 全彩LED电子显示屏的可靠性模型
上海虹口体育中心于1999年初建成了192平方米的LED大屏幕，其中双基色LED屏和全彩LED屏各占一半。以全彩LED屏为例，LED大屏幕主要由显示控制部分、开关电源、显示单元组成，而显示控制部分又是由数传卡、显示控制板和显示驱动板组成。显示控制电路共计：数传卡3块、显示控制板9块、显示驱动板126
×4块、开关电源126
×2块。
基本可靠性模型是一个串联模型，包括那些冗余或代替工作模式的单元都按串联处理，用以估计产品及其组成单元故障引起的维修及保障要求。
<img height=80 src="http://www.qlmcu.com/wz_tw/uploadfile/200412312258101.jpg" width=492 border=0>
其中：Rs(t)为系统的可靠度，Ri(t)为第i模块的可靠度。
<img height=80 src="http://www.qlmcu.com/wz_tw/uploadfile/200412312258212.jpg" width=494 border=0>
式中：λs为系统的故障率，λi为第i模块的故障率。系统的故障率λs是组成串联系统的各模块的故障率之和。对于模块故障时系统的故障前平均工作时间为：
<img height=66 src="http://www.qlmcu.com/wz_tw/uploadfile/200412312258243.jpg" width=480 border=0>
一套电子系统最终的实际使用价值如何，对元器件的可靠性依赖很大。为了对我们研制的LED显示屏最终可靠性有一个大致的了解，对整个系统所使用的元器件全部按照军品和民品定货两种情况进行估算，即预算出LED显示屏研制成功后，系统可靠性的最坏和最好结果。
4 LED显示屏的可靠性预计
由于LED显示屏包括的元器件种类较多，为明确计算，特作以下几点说明：
<p style="LINE-HEIGHT: 150%">TIPC6B595、74HC245、MC3486、MC3487、ICL232、X25045等24脚以下的集成电路为SSI类（小规模集成电路），ISSI61C512、ISSI61C256等为MSI类（中规模集成电路），ATMEL89C52、ISP1048E等为LSI类（大规模集成电路）。
<p style="LINE-HEIGHT: 150%">带插件的组件可靠性包括：组件本身的失效率、接插点失效率、焊点失效率、金属化孔失效率四个部分。
<p style="LINE-HEIGHT: 150%">跳孔（过孔）按焊孔的1/4估算，基本同金属化孔失效率。
<p style="LINE-HEIGHT: 150%">有封装的电阻元件按SSI失效率计算，无封装的电阻按一般电阻失效率计算。
<p style="LINE-HEIGHT: 150%">不同种类元器件失效率标准见表1。
<p style="LINE-HEIGHT: 120%" align=left>(1) 按民品标准失效率计算
整个系统各模块所用元器件均按民品标准失效率统计，计算得出各模块效率及平均无故障工作时间MTBF，数据如下：
λ数传=148.26
×10-6
MTBF =67449h
λ控制=480.07
×10-6
MTBF =2083h
λ驱动=74148.98
×10-6
MTBF =13.486h
λ电源=12.5
×10-6
MTBF=80000h
根据以上各模块失效率的统计值可得出该系统的总失效率为：
λ电源=λ数传+λ控制+λ驱动+λ电源=74902.31
×10-6
MTBF=13.351h
(2) 按军品标准失效率计算[2]
整个系统各模块所用元器件均按军品标准失效率统计，计算得出各模块效率及平均无故障工作时间MTBF，数据如下：
λ数传=14.826
×10-6
MTBF =674491h
λ控制=48.007
×10-6
MTBF =20830h
λ驱动=7414.898
×10-6
MTBF =134.864h
λ电源=12.5
×10-6
MTBF =80000h
根据以上各模块失效率的统计值可得出该系统的总失效率为：
λ电源=λ数传+λ控制+λ驱动+λ电源=7490.231
×10-6
MTBF=133.51h
通过采用两种标准计算出的结果可以看出相差很大。因此，在系统研制过程中，采用高质量的元器件对提高整机的可靠性是至关重要的。
<p style="LINE-HEIGHT: 120%" align=center><img height=232 src="http://www.qlmcu.com/wz_tw/uploadfile/200412312258284.jpg" width=484 border=0>
<p style="LINE-HEIGHT: 120%" align=left>5 讨论
针对采用军用标准计算出的各模块可靠性指标，可以看出：显示驱动板的失效率λ驱动=7414.898
×10-6.比其他各模块的失效率大得多，这是影响系统可靠性的关键，究其原因是组成模块的元器件数量太庞大，例如，显示驱动板，单是发光显示器件就有129024个。由于元器件数目的增多，必然导致失效的几率增大，因而使模块的失效率增大，MTBF减小。所以在进行设计时，为了提高系统的可靠性，应把系统设计得越简单越好，也就是为完成同样功能，系统的设备越少越好；并尽量采用高稳定电路和高质量的元器件。
假设系统在并行冗余或后备冗余的两种情况下运行，有如下两个结论：
<p style="LINE-HEIGHT: 120%" align=center><img height=90 src="http://www.qlmcu.com/wz_tw/uploadfile/200412312258345.jpg" width=360 border=0>
<p style="LINE-HEIGHT: 120%" align=left>1 假设整机元件均存在并行冗余结构，即当有某一元件或模块失效时，可由另一并行工作的元件或模块替代，保证整机的正常工作状态。
根据可靠性原理得：
2 假设整机元件均存在后备冗余结构，即工作单元数是不变的，当有某一元件或模块失效时，有完全的可靠检查和转换装置自动把转换开关导向后备的元器件或模块，也可以通过维修的方式，快速更换性能良好的元件或模块。在所用元件相同，失效检查和转换装置百分之百的可靠，而且备用失效率又为零的情况下，两个单元（一个备用单元）的系统的可靠度为：
<img height=117 src="http://www.qlmcu.com/wz_tw/uploadfile/200412312258346.jpg" width=486 border=0>
从以上三种工作模式：串联、并行冗余、后备冗余得出的平均无故障工作时间（式(4)(5)(6)）可以看出，系统采用不同的结构对系统的工作可靠性有很大影响。实际设计中，很少把整个系统都设计成具有冗余的结构。因为尽管冗余设计可以提高任务可靠度，但会降低基本可靠度并增加维修和后勤保障的负担，所以，只能针对很重要的组成模块或失效率较高的模块将其设计成具有冗余的结构。
针对本实例中对可靠性影响较大的显示驱动板，采用后备冗余设计来重新预计系统的可靠性。在实际设计中，把显示屏设计成模块化结构，即整个显示屏由126
×4块8
×8的显示方块组成。当显示屏中有若干个发光点损坏时，只需要把这些点所在的显示方块取下，替代上完好的显示模块即可。
根据式(6)有：
λ驱动=7414.898
×10-6/2=3707.449
×10-6
MTBF =134.864h
×2=269.728h
λ电源=λ数传+λ控制+λ驱动+λ电源=3782.782
×10-6
MTBF=264.36h
从上述的预计的可靠性指标可以看出，把系统中关键的单元设计成具有冗余的结构，可以极大地提高系统的可靠性。特别需要指出的是，系统在实际使用中当有若干个元器件失效时，并不影响系统的正常工作。LED显示屏通用规范规定，整个电子屏的失控点应小于3‰[4]，而上述计算的系统平均无故障时间是指系统中没有一个元器件失效的情况。考虑到LED电子显示屏允许3‰的失控点，实际应用时系统正常工作的时间通常比计算的数值高得多，MTBF可达10000小时以上（满足《LED显示屏通用规范》中的要求[4]）。
参考文献
[1] 徐维新、秦英孝，可靠性工程。北京：电子工业出版社，1988
[2] 杨家坚、徐赛英，国家军用标准电子设备可靠性手册，北京：国防工业出版社，1990
[3] Bertram L. Amstadter. Reliability Mathematics. McGraw-Hill, 1987
[4] LED显示屏通用规范，SJ/T11141-1997，中华人民共和国电子行业标准，1997
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