電源設(shè)備可靠性的研討

1、電源設(shè)備可靠性的研討    本文所研討的可靠性問(wèn)題，適用于幾乎所有的電子系統(tǒng)和機(jī)電一體化設(shè)備。電源設(shè)備尤其是交流電源設(shè)備，作為電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，長(zhǎng)期、穩(wěn)定地保持正常工作能力尤為重要。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究報(bào)告指出：造成計(jì)算機(jī)等精密電子設(shè)備損壞的主要原因是電壓的浪涌（surge），即短期（10ms左右）或長(zhǎng)期的過(guò)電壓，占全部損壞原因的45.3。雷擊占9.4。引起設(shè)備工作不正常和誤碼的主要原因是電壓過(guò)低（含短期脈動(dòng)）（sags）占87，以及脈沖本文所研討的可靠性問(wèn)題，適用于幾乎所有的電子系統(tǒng)和機(jī)電一體化設(shè)備。電源設(shè)備尤其是交流電源設(shè)備，作為電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件

2、，長(zhǎng)期、穩(wěn)定地保持正常工作能力尤為重要。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究報(bào)告指出：造成計(jì)算機(jī)等精密電子設(shè)備損壞的主要原因是電壓的浪涌（surge），即短期（10ms左右）或長(zhǎng)期的過(guò)電壓，占全部損壞原因的45.3。雷擊占9.4。引起設(shè)備工作不正常和誤碼的主要原因是電壓過(guò)低（含短期脈動(dòng)）（sags）占87，以及脈沖尖峰干擾占9。因而，世界上許多著名的制造商均有嚴(yán)格的場(chǎng)地供電標(biāo)準(zhǔn)，責(zé)成用戶予以保證。近年來(lái)，電源設(shè)備日趨復(fù)雜，元器件的品種和數(shù)量增加很快；使用環(huán)境也變得惡劣多樣；而所服務(wù)的電子系統(tǒng)又越來(lái)越重要和昂貴。以交流參數(shù)穩(wěn)壓電源為例，已廣泛地應(yīng)用于車載、艦載、地面的軍用裝備，航空航天部門(mén)，鐵路和交通的信號(hào)和通

3、信系統(tǒng)等方面。電源需要日夜不停地連續(xù)運(yùn)行，還要經(jīng)受高、低溫，高濕，沖擊等考驗(yàn)。運(yùn)行中往往不允許檢修，或只能從事簡(jiǎn)單的維護(hù)。這一切就使得電源設(shè)備的可靠性研究，變得刻不容緩，十分重要了。其實(shí)，早在上世紀(jì)70年代，英國(guó)電氣工程師學(xué)會(huì)發(fā)表的論文就指出：在提供軍事通信的英國(guó)天網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制中，中心課題首先是可靠性！國(guó)際上，通用的可靠性定義為：在規(guī)定環(huán)境條件下，和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。此定義適用于一個(gè)系統(tǒng)，也適用于一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)單元。由于故障出現(xiàn)的隨機(jī)性質(zhì)，用數(shù)學(xué)方式來(lái)描述可靠性，常用“概率”來(lái)表示。從而，引出可靠度R（t）的定義：系統(tǒng)在規(guī)定環(huán)境條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。例如：

4、對(duì)N個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，每經(jīng)過(guò)t的時(shí)間間隔檢查一次，每次出故障的產(chǎn)品數(shù)為ni，則在T時(shí)間內(nèi)的可靠度R（t）為：R（t）=（N）/N，可近似為：R（t）=（N）/NR（t）的數(shù)值范圍為：0R（t）1。R（t）的值越接近于1，則表示可靠性越高。如系統(tǒng)有N個(gè)單元組成（串聯(lián)方式），各單元的R（t）分別為R1（t），R2（t）RN（t），則整個(gè)系統(tǒng)的R（t）=R1（t）·R2（t）RN（t）?？梢?jiàn)，系統(tǒng)越復(fù)雜，可靠性越差。1影響系統(tǒng)可靠性的因素涉及系統(tǒng)可靠性的因素很多。目前，人們認(rèn)識(shí)上的主要誤區(qū)是把可靠性完全（或基本上）歸結(jié)于元器件的可靠性和制造裝配的工藝；忽略了系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于可靠性的決定性的作用。

5、據(jù)美國(guó)海軍電子實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，整機(jī)出現(xiàn)故障的原因和各自所占的百分比如表1所列：limt0N表1整機(jī)故障原因統(tǒng)計(jì)故障原因占總失效數(shù)的（）</tr>設(shè)計(jì)上的原因元器件質(zhì)量上的原因操作和維護(hù)上的原因制造上的原因40302010在民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域，日本的統(tǒng)計(jì)資料表明，可靠性問(wèn)題80源于設(shè)計(jì)方面。（日本把元器件的選型，質(zhì)量級(jí)別的確定，元器件的負(fù)荷率等部分也歸入設(shè)計(jì)上的原因）?？傊瑢?duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，需明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念，把系統(tǒng)的可靠性引為重要的技術(shù)指標(biāo)，認(rèn)真重視可靠性的設(shè)計(jì)工作，并采取足夠的提高可靠性的措施，才能使系統(tǒng)和產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)。2衡量系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)及其數(shù)學(xué)關(guān)系

6、2?1失效率定義為：該種產(chǎn)品在單位時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)。即：=dn/dt相對(duì)于每一個(gè)依然正常工作的樣品的失效率，=(1/NS)·dn/dt式中：NS為總試驗(yàn)品N，經(jīng)過(guò)t時(shí)間以后，依然正常工作的樣品數(shù)。工程上，采用近似式。如果在一定時(shí)間間隔（t1t2）內(nèi)，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的正常工作的樣品數(shù)為ns個(gè)，而經(jīng)過(guò)（t1t2）后出現(xiàn)的故障樣品數(shù)為n個(gè)，則這一批樣品中對(duì)于每一個(gè)正常樣品的失效率為：=n/ns(t1t2)失效率的數(shù)值越小，則表示可靠性越高?？梢宰鳛殡娮酉到y(tǒng)和整機(jī)的可靠性特征量，更經(jīng)常作為元器件和接點(diǎn)等的可靠性特征量。其量綱為1/h。國(guó)際上常用1/109h稱為fit，作為的量綱。例如，美國(guó)GE公司

7、97F8000系列用于交流電源的金屬化薄膜電容器的工作壽命為：100只電容器在工作60000h以后，95只電容器正常，5只電容器此期間有可能出現(xiàn)故障。則：=n/ns(t1t2)代入ns=100，n=5，（t1t2）=60000h，則有：=0.83·106/h=830fit。美國(guó)1974年頒布的標(biāo)準(zhǔn)工作條件下的元器件基本失效率如表2所列（供參考）。2?2平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBFMTBF的定義為：電子系統(tǒng)無(wú)故障工作時(shí)間的平均值。對(duì)于一批（N臺(tái)）電子系統(tǒng)而言：MTBF=ti/Nh式中：ti第i個(gè)電子系統(tǒng)的無(wú)故障工作時(shí)間h；N電子系統(tǒng)的數(shù)量。工程上，如一臺(tái)整機(jī)，在試驗(yàn)時(shí)，總的試驗(yàn)時(shí)間為T(mén)，

8、而出現(xiàn)了n次故障。出現(xiàn)故障進(jìn)行修復(fù)，然后再進(jìn)行試驗(yàn)（維修的時(shí)間不包括在總試驗(yàn)時(shí)間T內(nèi)）。則：MTBF=T/nhMTBF數(shù)值越大，則表示該電子系統(tǒng)可靠性越高。MTBF的參考數(shù)據(jù)如表3所列：表3MTBF的參考數(shù)據(jù)電子系統(tǒng)名稱MTBF/(h)1978年集成彩色電視接收機(jī)（國(guó)際水平）2000阿波羅宇宙飛船電子計(jì)算機(jī)(22.5)×104英國(guó)天網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)1000美國(guó)“泰康”遠(yuǎn)程導(dǎo)航設(shè)備（20世紀(jì)80年代）150Simods數(shù)字頻率合成器10×104還是以上述美國(guó)GE公司97F8000系列用于交流電源的金屬化薄膜電容器為例：T=60000h，100只受試電容共出現(xiàn)5只有故障，那么對(duì)于每只

9、電容器來(lái)講：MTBF=100T/n=120×104h。在此，必須明確不論是失效率，還是平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF，均為衡量設(shè)備或元器件可靠性的“概率”性的指標(biāo)。切不可誤解為對(duì)于上述電容器每只可以工作120萬(wàn)h以后才會(huì)出現(xiàn)故障。具體到某一只電容器，也可能一用就壞，更大的可能是工作60000h以后還是很正常。2?3平均維修時(shí)間MTTRMTTR的定義為：系統(tǒng)維修過(guò)程中，每次修復(fù)時(shí)間的平均值。即：表2美國(guó)1974年頒布的標(biāo)準(zhǔn)工作條件下元器件失效率元器件類型（fit）電阻器固定薄膜4合成電位器138線繞電位器167電容器紙介70鋁電介117可變陶瓷393繼電器6半導(dǎo)體二極管硅20齊納18半導(dǎo)體三極管鍺PNP56鍺NPN140硅PNP63硅NPN33表4國(guó)際通信衛(wèi)星系統(tǒng)有關(guān)R（t）參考數(shù)據(jù)電子系統(tǒng)名稱R(t)/()國(guó)際通信衛(wèi)星號(hào)地面站99.7天線93.5電源