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绿色设计与可靠性设计的统一

【发布时间:2009-04-15】

/陈立元

“绿色”设计思想在20世纪90年代开始成为现代设计技术研究的热点问题,它强调设计应该考虑有限地球资源的使用,为保护地球环境而服务。绿色设计通常也称生态设计、环境设计、环境意识设计,要求在产品整个生命周期内,着重考虑产品自身能耗、复杂程度、器件选型及环境属性的可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等,并将其作为设计目标,在满足环境要求的同时,保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。

可靠性设计是在设计过程中挖掘和确定隐患及薄弱环节,并采取设计预防和改进措施有效地消除隐患。通过可靠性预计、FMEA(故障模式与影响分析)、FTA(故障树分析)等定量计算和定性分析,进行器件降额设计、简化设计、热设计、寿命估算、可靠性增长测试、筛选策略制定等工作。

绿色设计主要为产品环保属性服务,而可靠性设计主要关注产品可靠的完成预期功能,两者设计方向虽然不同,但在设计过程中却有众多的相通之处。绿色设计要求降低能耗、简化设计,无形中提升了产品固有可靠性;而可靠性设计降低失效率、延长产品寿命的目标也与绿色设计形成本质的统一。

一、降低能耗

通信产品具有“高可靠、寿命长、不间断运行”的需求特征,由于其需要24小时不间断运行,能耗便成为产品实现“绿色”的一个关键因素。欧盟EUP环保指令已于200925日发布并将逐步实施,美国“能源之星”和“中华人民共和国节约能源法”对能耗也有强制要求。由此可见,各主要国家已经通过相应指令的形式对产品能耗进行了严格限制,不满足要求的产品将不能在指定区域进行销售,所有产品需按指令强制执行。

其实,降低产品能耗也是可靠性设计的重要内容之一。产品能耗的减小可以有效降低产品运行环境的温度,根据电子产品的业界经验10℃法则,在正常工作温度范围内,产品所处应用环境降低10℃,寿命可以延长1倍,市场返修可以有效降低一半。可见,降耗有利于提高产品可靠性,绿色设计的强制执行也为此起了很好的推动作用。

二、简化设计

绿色设计强调使用材料的经济性,摒弃无用的功能和纯装饰的样式,创造形象生动的造型,回归经典的简洁。产品的简化设计是绿色设计中一项必不可少的内容,以实现降低地球资源使用的目的。产品通过设计的简化,可以减少器件、部件的使用,原始材料的利用率也得到有效提升。同时,通过对产品模块化的细分,并使模块在产品中具有高度的可重用性,不仅有效减少研发人力投入,还可以大幅度提升资源利用率,减少器件数量和品种。

产品由各器件、部件组合而成,从产品基本可靠性角度来讲,产品失效率是各器件失效率的总和。产品的简化、器件数量的减少可以直接提升产品基本可靠性;而成熟模块的重用,也有助于产品加工工艺的快速提升,为保持产品设计阶段的可靠性起着很好的固化作用。

三、降低失效

产品失效率是衡量产品可靠性标准的最为重要的参数。通信产品通常通过合理散热、容差设计、降额设计来降低固有失效率,提升可靠性。在产品功耗不变的情况下,功耗器件散热条件不同,其应用微环境温度可能会有数十度的差异,器件失效率会相差十倍以上。而容差设计、降额设计通过对器件相关参数的审查、电路仿真即可发现问题,问题的改进一般只需更换其它型号或参数的器件即可,这样就可以在不增加产品复杂度和成本的情况下实现可靠性的大幅提升。

产品可靠性的提升,可以有效降低市场的返修比例,稳定产品在市场的有效运行和维护投入,降低设备返修带来的往返运输损耗和问题定位的投入,同时避免单个产品失效引起大量的附加损失。这也正符合绿色设计减少地球综合资源使用的最终目标。

四、延长寿命

一般家庭在选择日常应用的电子产品时,主要关注产品性能和功能,而很少关注产品的使用寿命。但对于24小时运行且可靠性要求极高的交换机、路由器、监控、存储等产品来说,产品寿命则是关键指标之一。在产品设计时通常通过提升关键寿命件质量来提升产品寿命。比如铝电解电容、风扇等器件都属于寿命损耗件,在寿命期内极少失效,但随着设备运行到一定周期超过器件寿命时,该类器件失效率会急剧增加,此时用户需要通过大批量更换设备以满足需求,因而增加大量的运行成本。可见,延长产品寿命对于资源利用率的提升具有关键作用,同时直接提升了产品的“绿色”程度。

总结

在产品最初研制和试验期间,一方面,需要反复改进产品设计和制造中的缺陷,提高可靠性。另一方面,还要重点关注产品的绿色设计,将“减量化”放在首位,在满足可靠性要求的条件下,力求使用材料最省、对环境污染最小,达到节能、降耗、减排的目的,实现产品可靠性和绿色环保的有机统一。