Elektronik devre tasarımları için güvenilirlik ve kullanılabilirlik analizi / Sabri Sevimçok; thesis advisor Tolga Girici.

Tez (Yüksek Lisans)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Nisan 2023

Günümüzde emniyet-kritik, görev-kritik, uçuş-kritik veya insan hayatını doğrudan etkileyebilecek uygulamalarda güvenilirlik gereksinimleri sistemler için tanımlanmaktadır. Bu tez kapsamında elektronik tasarım süreci sonrası fakat tasarımın üretimi öncesi yapılan güvenilirlik, kullanılabilirlik ve hata oranı analizleri ele alınmıştır. Bu tez, örnek bir DC/DC dönüştürücü ve Ayrık G/Ç (Giriş/Çıkış) elektronik devre katları için güvenilirlik, kullanılabilirlik ve Arızalar Arasındaki Ortalama Süre (MTBF) analizini sağlar. Bu yapıların tercih edilme sebebi günümüzdeki birçok uygulamanın elektronik tasarımlarında sıklıkla kullanılıyor olmalarıdır. Örnek elektronik devrenin tasarım aşamasında tüm elektronik bileşenlerin seçim adımları gösterilmiştir. Ek olarak, örnek elektronik devreler tasarlanırken hedeflenen güvenilirlik gereksinimleri dikkate alınmıştır ve bu doğrultuda elektronik bileşenler seçilmiştir. Örnek elektronik devre tasarımının her aşaması, tasarımın çalışma prensibinin daha iyi anlaşılabilmesi için açıklanmıştır. Güvenilirlik analizinde izlenecek adımlar ve dikkat edilmesi gereken noktalar belirtilmiştir. Hata Ağacı Analizi (FTA) ve güvenilirlik blok yapıları, güvenilirlik analizi yaklaşımının bir parçası olarak açıklanmıştır. FTA analizinin adımları anlatılmıştır ve FTA analizinde modülerlik yaklaşımının önemi vurgulanmıştır. Bu kapsamda hata ve arızaların sınıflandırılmasında yararlanılan şiddet kategorileri, olasılık seviyeleri ve risk değerlendirme matrisi detayları da verilmektedir. Güvenirlik blok yapısı ile ilgili olarak seri ve paralel yapılar açıklanmıştır ve tez kapsamında yapılan analizlerde bu yapıların kombinasyonları da kullanılmıştır. Güvenilirlik, kullanılabilirlik ve hata oranı analizlerinde kullanılacak parametrelerden bahsedilmiş ve ilgili matematiksel formüller türetilmiştir. Fonksiyonel Arızalar Arası Geçen Ortalama Süre (MTBFF) analizine yönelik bakış açısı açıklanmıştır. Örnek elektronik devrenin güvenilirlik, kullanılabilirlik ve arıza oranı analizleri, FTA ve güvenilirlik blok diyagramı yaklaşımları kullanılarak yapılmıştır. Örnek elektronik devreye ait katların olası tüm arıza tipleri, dört farklı arıza tipi tanımlanmış ve her arıza, elektronik bileşen seviyesinde incelenmiştir. Bu inceleme sonucunda her bir arıza için FTA analizi çıktıları gösterilmiştir. Güvenilirlik ve kullanılabilirlik hesaplamaları excel ortamında 10 yıllık süre için yapılmıştır. Analizlerde elektronik bileşen üreticileri tarafından sağlanan güvenilirlik verileri kullanılmıştır. Yapılan analizler sonucunda hedeflenen güvenilirlik değerine ulaşıldığı gösterilmiştir. Bu çalışmada, elektronik devre tasarımında güvenilirliğin öneminin, bir bileşenden başlayarak tüm sisteme olan etkisi gösterilmiştir.

Today, reliability requirements are defined for systems in safety-critical, mission-critical, flight-critical or applications that can directly affect human life. In this thesis, reliability, availability and failure rate analyses made after electronic design process but before production of the design are discussed. This thesis provides a reliability, availability and Mean Time Between Failure (MTBF) analyses for a sample DC/DC converter and Discrete I/O (Input/Output) electronic circuit stages. The reason why these structures are preferred is that they are frequently used in electronic designs of many applications today. During the design phase of the sample electronic circuit, the determination steps of all electronic components are shown. Additionally, the targeted reliability requirements were taken into account while designing the sample electronic circuits and electronic components were selected accordingly. Each step of the sample electronic circuit design were explained in order to better understand the operating of the design. The steps to be followed in the reliability analysis and the points to be considered are explained. Failure Tree Analysis (FTA) and reliability block structures were explained as a part of reliability analysis approach. The steps of FTA analysis are explained and the importance of modularity approach in FTA analysis is emphasized. In this context, severity categories, probability levels and risk assessment matrix details used in the classification of failures and malfunctions are also given. Regarding the reliability block structure, serial and parallel structures are explained and combinations of these structures are also used in the analyses made within the scope of the thesis. The parameters to be used in reliability, availability and failure rate analyses are mentioned, and the relevant mathematical formulas are derived. The perspective for Mean Time Between Functional Failure (MTBFF) is explained. Reliability, availability and failure rate analyses of sample electronic circuit were performed using the FTA and reliability block diagram approaches. All possible failure types, four different failure types, of sample electronic circuit stages were defined and each failure examined at electronic component level. As a result of this examination, FTA analysis outputs are shown for each failure. Reliability and availability calculations were made in excel environment for 10-years period. Reliability data provided by electronic component manufacturers were used in the analysis. As a result of the analyses made, it was shown that the targeted reliability value was achieved. In this study, the effect of the importance of reliability on the whole system, starting from a component in electronic circuit design, has been demonstrated.