RG-IS2700G工业交换机高可靠性设计

可靠性概述

产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力称为可靠性。规定条件是指系统或产品所处的使用环境和维护条件，包括机械条件、气候条件、生物条件、化学条件、电磁条件、物理条件和维护条件等。规定时间指产品或系统执行任务的时间。规定功能指用户提出的指标和要求。产品终止规定功能，称为失效或故障。通过更换元器件或进行调整能够恢复功能的产品称为可修复产品，反之称为不可修复产品。终止规定功能，对可修复产品称为故障，对不可修复产品称为失效。

产品的可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是产品在设计、制造中赋予的，是产品的一种固有特性，也是产品的开发者可以控制的。而使用可靠性则是产品在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性，它除了考虑固有可靠性的影响因素之外，还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等方面因素的影响。

产品可靠性还可分为基本可靠性和任务可靠性。基本可靠性是产品在规定条件下无故障的持续时间或概率，它反映产品对维修人力的要求。因此在评定产品基本可靠性时应统计产品的所有寿命单位和所有故障，而不局限于发生在任务期间的故障，也不局限于是否危及任务成功的故障。任务可靠性是产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。评定产品任务可靠性时仅考虑在任务期间发生的影响完成任务的故障。提高任务可靠性可采用冗余或代替工作模式，不过这将增加产品的复杂性，从而降低基本可靠性。

可靠性指标

衡量可靠性的指标很多，如可靠度、不可靠度（故障概率）、故障密度函数、故障率、平均寿命（MTTF，Mean time to failure）、平均故障间隔时间（MTBF，Mean time between failure）、有效度、平均修复时间等等。本文只介绍MTBF。

MTBF是可修复产品可靠性的一种基本参数。其度量方法为：在规定的条件内和规定的时间内，产品的寿命单位总数与故障总数之比。它反映了产品的时间质量，是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。

RG-IS2700G可靠性设计

MTBF计算中主要考虑的是产品中每个器件的失效率。计算时需要考虑器件在不同条件、不同使用环境下的失效率，如一个额定电压为16V的电容，实际工作电压在25V和10V的情况下的失效率肯定是不一样的。单体器件的失效率，一般使用MTBF计算软件（如Reliasoft的Lambda Predict）查询得出，查询时设定Quality等级、降额、工作环境等参数。将所有器件的失效率类加起来得到总的失效率，其倒数即为MTBF值。如RG-IS2712G主板的MTBF计算，即先查询主板上所有器件如电阻、电容、电感、磁珠、IC、接插件等的单体失效率，再计算出所有器件的累计失效率，累计失效率的倒数即为RG-IS2712G主板的MTBF值。

系统的MTBF，根据系统的类型和结构计算。系统类型分为基本的串联系统和并联系统，以及由串联子系统、并联子系统组成的混联系统、冗余系统、表决系统等。串联系统正常工作以全部构成单元正常工作为前提，当有一个或一个以上的单元失效时，整个系统就失效，其可靠性随着构成单元数量的增加而降低。串联系统的失效率等于各组成单元的失效率之和，MTBF为各单元失效率之和的倒数。并联系统的若干组成单元中只要一个正常工作，系统就能正常工作，仅全部单元都失效时，系统失效。并联系统的失效率为各单元失效率之积，其可靠性随着构成单元的增加而提升。

    工业以太网交换机RG-IS2700G系列，通过选用高可靠性器件，器件工作在合理降额后的工作区间，以及关键电路上依据器件工作原理，以及原有失效案例进行失效模型分析及避免，降低了各部件的可靠性。从而使得该系列的MTBF达到一个很高的水平。经过计算，RG-IS2700G系列的交换机MTBF大于260KHrs，相当于可以平均失效时间为30年以上。

降额设计

降额设计，提升电子设备可靠性而常用的一种方法，主要是指构成电子设备的元器件使用中所承受的应力（电应力和温度应力）低于元器件本身的额定值，以达到延缓其参数退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。元器件的可靠性与其系统的应力强度之间有一定的依赖关系，一般情况下应力越大，可靠性越低。考虑到元器件的性能参数都呈现某种分布特性，只有采用减额设计技术才能获得较大的安全裕度。标准推荐的降额量值不能绝对化，应根据产品的特性适当调整。各类元器件均有一个降额范围，在此范围内应力变化对其故障率影响较大。过度的降额也不可取，降额到一定程度后，可靠性的提高是很小的。一般情况电子元器件的应力越低越能提高使用可靠性，但不尽然，如聚苯乙烯电容器，降额太大易产生低电平失效。

对元器件的应力降额，主要包括电应力和温度应力。温度应力降额，主要靠热设计保证，使元器件的温度在产品的工作温度指标范围内落在高可靠性的降额范围内。电应力，主要包括电压、电流、功率。RG-IS2700G工业以太网交换机的降额设计，包括了电阻、电容、磁性器件、二极管、晶体管、电磁保护器、保险丝、接插件、集成器件，涵盖了设备上的每一个器件。

IS2700G系列交换机，所用的所有器件进行降额设计，涉及电压，电流，功耗，温度等多个方面，一般电压/电流/功耗降额在30%以上，关键器件降额达50%以上，板上器件最高工作温度要求相对规格书降额10%以上。通过降额设计，可保证工业交换机可靠长期运行。