全彩LED顯示屏的可靠性預(yù)計(jì)

全彩LED顯示屏的可靠性預(yù)計(jì)

1 引言
�お�LED電子顯示屏是以先進(jìn)的視頻顯示技術(shù)為核心，采用超高亮LED電致發(fā)光材料為顯示器件，配以音視頻系統(tǒng)，可以聲像同步播放各種圖文信息及多媒體信息。

    它溶LED顯示技術(shù)、視覺(jué)原理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、視頻技術(shù)、電子技術(shù)于一體，主要用于戶(hù)內(nèi)、戶(hù)外大型電子圖文顯示及視頻圖象顯示，廣泛用于各種標(biāo)準(zhǔn)化營(yíng)業(yè)窗口（如金融、郵電、電力、冶金、石化等行業(yè)）、廣告宣傳、文體中心、公共場(chǎng)所（機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、港口）的圖文顯示，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

    與所有產(chǎn)品一樣，LED產(chǎn)品是否具有較高的可靠性，將直接關(guān)系到產(chǎn)品的實(shí)際使用價(jià)值。因此，在對(duì)LED顯示屏進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)及費(fèi)用等要求提出后，就希望所研制的顯示屏能夠達(dá)到較高的可靠性，具有較長(zhǎng)的使用壽命，較好的工作穩(wěn)定性、易維修性及安全性等�；�于這些要求，在研制生產(chǎn)之前必須對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)模塊所用元器件的性能、可靠性進(jìn)行分析，并對(duì)整個(gè)LED顯示屏的最終穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估計(jì)算，分析出系統(tǒng)中失效率較高的單元，從而采取必要的糾正措施（如應(yīng)用冗余系統(tǒng)、更換元件、制定定期維修程序、嚴(yán)格控制制造工藝和嚴(yán)格控制檢驗(yàn)等）改進(jìn)系統(tǒng)、減小失效率，把設(shè)計(jì)精力集中在系統(tǒng)最弱的地方。此外，可靠性分析可以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行各種設(shè)計(jì)方案之間的比較，找到使系統(tǒng)可靠性指標(biāo)達(dá)到最高的設(shè)計(jì)方案，并為選擇系統(tǒng)的部件、元器件、零件和材料提供依據(jù)，為設(shè)計(jì)評(píng)審、故障模式、影響與危害性分析、維修性分析、后勤保障、熱設(shè)計(jì)等提供信息。

可靠性預(yù)計(jì)方法

��2
�おた煽啃灶A(yù)計(jì)的方法較多，本文采用的元器件計(jì)數(shù)法是在初步設(shè)計(jì)階段使用的預(yù)計(jì)方法[1]。在這個(gè)階段中，每種通用元件的數(shù)量已經(jīng)基本確定，在以后的研制和生產(chǎn)階段整個(gè)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度預(yù)期不會(huì)有明顯的變化。元器件計(jì)數(shù)法假定元件的壽命是指數(shù)分布的（即元器件失效率恒定）。
元器件計(jì)數(shù)法中產(chǎn)品失效率的一般表達(dá)式是：

�お�對(duì)一定的環(huán)境來(lái)說(shuō)，式中：λ產(chǎn)品為產(chǎn)品總失效率，λi為第i類(lèi)元件的通用失效率，πGi為第i類(lèi)元件的質(zhì)量系數(shù)，Ni為第i類(lèi)元件的數(shù)量，N為不同的元件種類(lèi)數(shù)。

全彩LED電子顯示屏的可靠性模型

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�おど虾：缈隗w育中心于1999年初建成了192平方米的LED大屏幕，其中雙基色LED屏和全彩LED屏各占一半。以全彩LED屏為例，LED大屏幕主要由顯示控制部分、開(kāi)關(guān)電源、顯示單元組成，而顯示控制部分又是由數(shù)傳卡、顯示控制板和顯示驅(qū)動(dòng)板組成。顯示控制電路共計(jì)：數(shù)傳卡3塊、顯示控制板9塊、顯示驅(qū)動(dòng)板126×4塊、開(kāi)關(guān)電源126×2塊。
�おせ�本可靠性模型是一個(gè)串聯(lián)模型，包括那些冗余或代替工作模式的單元都按串聯(lián)處理，用以估計(jì)產(chǎn)品及其組成單元故障引起的維修及保障要求。

�おて渲校篟s(t)為系統(tǒng)的可靠度，Ri(t)為第i模塊的可靠度。

�おな街校害藄為系統(tǒng)的故障率，λi為第i模塊的故障率。系統(tǒng)的故障率λs是組成串聯(lián)系統(tǒng)的各模塊的故障率之和。對(duì)于模塊故障時(shí)系統(tǒng)的故障前平均工作時(shí)間為：

�おひ惶纂娮酉到y(tǒng)最終的實(shí)際使用價(jià)值如何，對(duì)元器件的可靠性依賴(lài)很大。為了對(duì)我們研制的LED顯示屏最終可靠性有一個(gè)大致的了解，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所使用的元器件全部按照軍品和民品定貨兩種情況進(jìn)行估算，即預(yù)算出LED顯示屏研制成功后，系統(tǒng)可靠性的最壞和最好結(jié)果。

LED顯示屏的可靠性預(yù)計(jì)

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�おび捎贚ED顯示屏包括的元器件種類(lèi)較多，為明確計(jì)算，特作以下幾點(diǎn)說(shuō)明：

• TIPC6B595、74HC245、MC3486、MC3487、ICL232、X25045等24腳以下的集成電路為SSI類(lèi)（小規(guī)模集成電路），ISSI61C512、ISSI61C256等為MSI類(lèi)（中規(guī)模集成電路），ATMEL89C52、ISP1048E等為L(zhǎng)SI類(lèi)（大規(guī)模集成電路）。

• 帶插件的組件可靠性包括：組件本身的失效率、接插點(diǎn)失效率、焊點(diǎn)失效率、金屬化孔失效率四個(gè)部分。

• 跳孔（過(guò)孔）按焊孔的1/4估算，基本同金屬化孔失效率。

• 有封裝的電阻元件按SSI失效率計(jì)算，無(wú)封裝的電阻按一般電阻失效率計(jì)算。

• 不同種類(lèi)元器件失效率標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

�お�(1) 按民品標(biāo)準(zhǔn)失效率計(jì)算
�おふ麄�(gè)系統(tǒng)各模塊所用元器件均按民品標(biāo)準(zhǔn)失效率統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得出各模塊效率及平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF，數(shù)據(jù)如下：
�おう藬�(shù)傳=148.26×10-6
�お�MTBF =67449h
�おう丝刂�=480.07×10-6
�お�MTBF =2083h
�おう蓑�(qū)動(dòng)=74148.98×10-6
�お�MTBF =13.486h
�おう穗娫�=12.5×10-6
�お�MTBF=80000h
�おじ鶕�(jù)以上各模塊失效率的統(tǒng)計(jì)值可得出該系統(tǒng)的總失效率為：
�おう穗娫�=λ數(shù)傳+λ控制+λ驅(qū)動(dòng)+λ電源=74902.31×10-6
�お�MTBF=13.351h
�お�(1) 按民品標(biāo)準(zhǔn)失效率計(jì)算[2]
�おふ麄�(gè)系統(tǒng)各模塊所用元器件均按軍品標(biāo)準(zhǔn)失效率統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得出各模塊效率及平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF，數(shù)據(jù)如下：
�おう藬�(shù)傳=14.826×10-6
�お�MTBF =674491h
�おう丝刂�=48.007×10-6
�お�MTBF =20830h
�おう蓑�(qū)動(dòng)=7414.898×10-6
�お�MTBF =134.864h
�おう穗娫�=12.5×10-6
�お�MTBF =80000h
�おじ鶕�(jù)以上各模塊失效率的統(tǒng)計(jì)值可得出該系統(tǒng)的總失效率為：
�おう穗娫�=λ數(shù)傳+λ控制+λ驅(qū)動(dòng)+λ電源=7490.231×10-6
�お�MTBF=133.51h
�おねㄟ^(guò)采用兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的結(jié)果可以看出相差很大。因此，在系統(tǒng)研制過(guò)程中，采用高質(zhì)量的元器件對(duì)提高整機(jī)的可靠性是至關(guān)重要的。

討論

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�お�c。
假設(shè)系統(tǒng)在并行冗余或后備冗余的兩種情況下運(yùn)行，有如下兩個(gè)結(jié)論：

�お�1 假設(shè)整機(jī)元件均存在并行冗余結(jié)構(gòu)，即當(dāng)有某一元件或模塊失效時(shí)，可由另一并行工作的元件或模塊替代，保證整機(jī)的正常工作狀態(tài)。
根據(jù)可靠性原理得：
�お�2 假設(shè)整機(jī)元件均存在后備冗余結(jié)構(gòu)，即工作單元數(shù)是不變的，當(dāng)有某一元件或模塊失效時(shí)，有完全的可靠檢查和轉(zhuǎn)換裝置自動(dòng)把轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)導(dǎo)向后備的元器件或模塊，也可以通過(guò)維修的方式，快速更換性能良好的元件或模塊。在所用元件相同，失效檢查和轉(zhuǎn)換裝置百分之百的可靠，而且備用失效率又為零的情況下，兩個(gè)單元（一個(gè)備用單元）的系統(tǒng)的可靠度為：



�お�從以上三種工作模式：串聯(lián)、并行冗余、后備冗余得出的平均無(wú)故障工作時(shí)間（式(4)(5)(6)）可以看出，系統(tǒng)采用不同的結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的工作可靠性有很大影響。實(shí)際設(shè)計(jì)中，很少把整個(gè)系統(tǒng)都設(shè)計(jì)成具有冗余的結(jié)構(gòu)。因?yàn)楸M管冗余設(shè)計(jì)可以提高任務(wù)可靠度，但會(huì)降低基本可靠度并增加維修和后勤保障的負(fù)擔(dān)，所以，只能針對(duì)很重要的組成模塊或失效率較高的模塊將其設(shè)計(jì)成具有冗余的結(jié)構(gòu)。
針對(duì)本實(shí)例中對(duì)可靠性影響較大的顯示驅(qū)動(dòng)板，采用后備冗余設(shè)計(jì)來(lái)重新預(yù)計(jì)系統(tǒng)的可靠性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，把顯示屏設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)，即整個(gè)顯示屏由126×4塊8×8的顯示方塊組成。當(dāng)顯示屏中有若干個(gè)發(fā)光點(diǎn)損壞時(shí)，只需要把這些點(diǎn)所在的顯示方塊取下，替代上完好的顯示模塊即可。
�おじ鶕�(jù)式(6)有：
�おう蓑�(qū)動(dòng)=7414.898×10-6/2=3707.449×10-6
�お�MTBF =134.864h×2=269.728h
�おう穗娫�=λ數(shù)傳+λ控制+λ驅(qū)動(dòng)+λ電源=3782.782×10-6
�お�MTBF=264.36h
�お�從上述的預(yù)計(jì)的可靠性指標(biāo)可以看出，把系統(tǒng)中關(guān)鍵的單元設(shè)計(jì)成具有冗余的結(jié)構(gòu)，可以極大地提高系統(tǒng)的可靠性。特別需要指出的是，系統(tǒng)在實(shí)際使用中當(dāng)有若干個(gè)元器件失效時(shí)，并不影響系統(tǒng)的正常工作。LED顯示屏通用規(guī)范規(guī)定，整個(gè)電子屏的失控點(diǎn)應(yīng)小于3‰[4]，而上述計(jì)算的系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間是指系統(tǒng)中沒(méi)有一個(gè)元器件失效的情況。考慮到LED電子顯示屏允許3‰的失控點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)系統(tǒng)正常工作的時(shí)間通常比計(jì)算的數(shù)值高得多，MTBF可達(dá)10000小時(shí)以上（滿(mǎn)足《LED顯示屏通用規(guī)范》中的要求[4]）。

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