全彩LED顯示屏的可靠性預計

全彩LED顯示屏的可靠性預計

1 引言
�お�LED電子顯示屏是以先進的視頻顯示技術為核心，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、視覺原理、計算機技術、視頻技術、電子技術于一體，主要用于戶內、戶外大型電子圖文顯示及視頻圖象顯示，廣泛用于各種標準化營業(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、公共場所（機場、車站、港口）的圖文顯示，具有十分廣闊的應用前景。

    與所有產(chǎn)品一樣，LED產(chǎn)品是否具有較高的可靠性，將直接關系到產(chǎn)品的實際使用價值。因此，在對LED顯示屏進行設計時，當系統(tǒng)的性能指標及費用等要求提出后，就希望所研制的顯示屏能夠達到較高的可靠性，具有較長的使用壽命，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)之前必須對系統(tǒng)中各個模塊所用元器件的性能、可靠性進行分析，并對整個LED顯示屏的最終穩(wěn)定狀態(tài)進行預估計算，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（如應用冗余系統(tǒng)、更換元件、制定定期維修程序、嚴格控制制造工藝和嚴格控制檢驗等）改進系統(tǒng)、減小失效率，把設計精力集中在系統(tǒng)最弱的地方。此外，可靠性分析可以幫助設計人員進行各種設計方案之間的比較，找到使系統(tǒng)可靠性指標達到最高的設計方案，并為選擇系統(tǒng)的部件、元器件、零件和材料提供依據(jù)，為設計評審、故障模式、影響與危害性分析、維修性分析、后勤保障、熱設計等提供信息。

可靠性預計方法

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�おた煽啃灶A計的方法較多，本文采用的元器件計數(shù)法是在初步設計階段使用的預計方法[1]。在這個階段中，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)階段整個設計的復雜度預期不會有明顯的變化。元器件計數(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）。
元器件計數(shù)法中產(chǎn)品失效率的一般表達式是：

�お�對一定的環(huán)境來說，式中：λ產(chǎn)品為產(chǎn)品總失效率，λi為第i類元件的通用失效率，πGi為第i類元件的質量系數(shù)，Ni為第i類元件的數(shù)量，N為不同的元件種類數(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、開關電源、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動板組成。顯示控制電路共計：數(shù)傳卡3塊、顯示控制板9塊、顯示驅動板126×4塊、開關電源126×2塊。
�おせ�本可靠性模型是一個串聯(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。對于模塊故障時系統(tǒng)的故障前平均工作時間為：

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

LED顯示屏的可靠性預計

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�おび捎贚ED顯示屏包括的元器件種類較多，為明確計算，特作以下幾點說明：

• TIPC6B595、74HC245、MC3486、MC3487、ICL232、X25045等24腳以下的集成電路為SSI類（小規(guī)模集成電路），ISSI61C512、ISSI61C256等為MSI類（中規(guī)模集成電路），ATMEL89C52、ISP1048E等為LSI類（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、接插點失效率、焊點失效率、金屬化孔失效率四個部分。

• 跳孔（過孔）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失效率計算，無封裝的電阻按一般電阻失效率計算。

• 不同種類元器件失效率標準見表1。

�お�(1) 按民品標準失效率計算
�おふ麄�系統(tǒng)各模塊所用元器件均按民品標準失效率統(tǒng)計，計算得出各模塊效率及平均無故障工作時間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
�おう蓑寗�=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驅動+λ電源=74902.31×10-6
�お�MTBF=13.351h
�お�(1) 按民品標準失效率計算[2]
�おふ麄�系統(tǒng)各模塊所用元器件均按軍品標準失效率統(tǒng)計，計算得出各模塊效率及平均無故障工作時間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
�おう蓑寗�=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驅動+λ電源=7490.231×10-6
�お�MTBF=133.51h
�おねㄟ^采用兩種標準計算出的結果可以看出相差很大。因此，在系統(tǒng)研制過程中，采用高質量的元器件對提高整機的可靠性是至關重要的。

討論

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�お�c。
假設系統(tǒng)在并行冗余或后備冗余的兩種情況下運行，有如下兩個結論：

�お�1 假設整機元件均存在并行冗余結構，即當有某一元件或模塊失效時，可由另一并行工作的元件或模塊替代，保證整機的正常工作狀態(tài)。
根據(jù)可靠性原理得：
�お�2 假設整機元件均存在后備冗余結構，即工作單元數(shù)是不變的，當有某一元件或模塊失效時，有完全的可靠檢查和轉換裝置自動把轉換開關導向后備的元器件或模塊，也可以通過維修的方式，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，兩個單元（一個備用單元）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故障工作時間（式(4)(5)(6)）可以看出，系統(tǒng)采用不同的結構對系統(tǒng)的工作可靠性有很大影響。實際設計中，很少把整個系統(tǒng)都設計成具有冗余的結構。因為盡管冗余設計可以提高任務可靠度，但會降低基本可靠度并增加維修和后勤保障的負擔，所以，只能針對很重要的組成模塊或失效率較高的模塊將其設計成具有冗余的結構。
針對本實例中對可靠性影響較大的顯示驅動板，采用后備冗余設計來重新預計系統(tǒng)的可靠性。在實際設計中，把顯示屏設計成模塊化結構，即整個顯示屏由126×4塊8×8的顯示方塊組成。當顯示屏中有若干個發(fā)光點損壞時，只需要把這些點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：
�おう蓑寗�=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驅動+λ電源=3782.782×10-6
�お�MTBF=264.36h
�お�從上述的預計的可靠性指標可以看出，把系統(tǒng)中關鍵的單元設計成具有冗余的結構，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)在實際使用中當有若干個元器件失效時，并不影響系統(tǒng)的正常工作。LED顯示屏通用規(guī)范規(guī)定，整個電子屏的失控點應小于3‰[4]，而上述計算的系統(tǒng)平均無故障時間是指系統(tǒng)中沒有一個元器件失效的情況。考慮到LED電子顯示屏允許3‰的失控點，實際應用時系統(tǒng)正常工作的時間通常比計算的數(shù)值高得多，MTBF可達10000小時以上（滿足《LED顯示屏通用規(guī)范》中的要求[4]）。

�お�參考文獻
�お�[1] 徐維新、秦英孝，可靠性工程。北京：電子工業(yè)出版社，1988
�お�[2] 楊家堅、徐賽英，國家軍用標準電子設備可靠性手冊，北京：國防工業(yè)出版社，1990
�お�[3] Bertram L. Amstadter. Reliability Mathematics. McGraw-Hill, 1987
�お�[4] LED顯示屏通用規(guī)范，SJ/T11141-1997，中華人民共和國電子行業(yè)標準，1997