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            EEPW首頁(yè) > 電源與新能源 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 電源設(shè)備可靠性的研討

            電源設(shè)備可靠性的研討

            作者: 時(shí)間:2011-03-27 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            ——GM:地面移動(dòng)式和便攜式的環(huán)境。劣于地面固定式的條件,主要是沖擊振動(dòng)。通風(fēng)冷卻可能受限制,只能進(jìn)行簡(jiǎn)易維修。

            上述環(huán)境條件下的環(huán)境系數(shù)πE如表5所列:

            表5環(huán)境系數(shù)πE

            元器件類型GBGFNSGM 
            集成電路0.21.04.04.0說(shuō)明:λp=λb·πE式中:

            λp實(shí)際使用中的

            失效率λb基本

            失效率πE環(huán)境系數(shù)

            電位器1.02.05.07.0
            功率型薄膜電阻器1.05.07.512.0
            電容器紙和塑料膜1.02.04.04.0
            陶瓷1.02.04.04.0
            鋁電介1.02.012.012.0
            變壓器1.02.05.03.0
            繼電器軍用1.02.0910
            下等質(zhì)量2.04.02430
            開(kāi)關(guān)0.31.01.25.0
            接插件軍用1.04.04.08.0
            下等質(zhì)量10161216
            從表5可以看出:使用環(huán)境對(duì)元器件的失效率影響極大,GM和GB相比失效率要高出4~10倍。環(huán)境條件的改善往往受使用場(chǎng)合的限制。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中比較容易做得到的就是重視和盡量加強(qiáng)通風(fēng)冷卻。

            過(guò)高的環(huán)境溫度對(duì)元器件的非常有害:

            (1)半導(dǎo)體器件(含各種集成電路和二極管,三極管)

            例如硅三極管以PD/PR=0.5設(shè)計(jì)(PD:使用功率,PR:額定功率),則環(huán)境溫度對(duì)的影響,如表6所列。

            表6環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)體器件的影響

            環(huán)境溫度Ta[℃]205080
            失效率λ[1/109h]500250015000
            (2)電容器(以固體鉭電容器為例)

            以UD/UR=0.6設(shè)計(jì)(UD:使用電壓,UR:額定電壓),則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表7所列。

            表7環(huán)境溫度對(duì)電容器可靠性的影響

            環(huán)境溫度Ta[℃]205080
            失效率λ[1/109h]52570
            (3)碳膜電阻器

            以PD/PR=0.5設(shè)計(jì),則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表8所列。

            表8環(huán)境溫度對(duì)碳膜電阻器可靠性的影響

            環(huán)境溫度Ta[℃]205080
            失效率λ[1/109h]124
            德國(guó)的研究報(bào)告指出,SK?2型彩色電視機(jī),經(jīng)過(guò)合理地設(shè)計(jì)通風(fēng)冷卻條件,使機(jī)內(nèi)溫度降低了10℃左右,結(jié)果平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF增加2倍,顯著地改善了可靠性。美國(guó)“民兵”洲際導(dǎo)彈的電子系統(tǒng)把環(huán)境溫度嚴(yán)格限制于≤40℃。達(dá)到了明顯降低失效率的目的。

            可見(jiàn),加強(qiáng)通風(fēng)冷卻十分有益于電子系統(tǒng)的可靠性。國(guó)內(nèi)有些部門(mén)(如鐵路)要求系統(tǒng)有很高的可靠性,又明令不許使用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻。結(jié)果不僅設(shè)備成本提高,可靠性也難以真正保證,人為地造成了許多問(wèn)題。其實(shí),現(xiàn)在優(yōu)質(zhì)的風(fēng)扇可以保證50000~60000h的使用壽命(相當(dāng)于連續(xù)運(yùn)行6年以上)。更換風(fēng)扇比其他部件的維修也省力省時(shí)得多。只要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件中,規(guī)定風(fēng)扇即使不工作,設(shè)備依然可以長(zhǎng)期正常運(yùn)行。那么,加強(qiáng)通風(fēng)冷卻,絕對(duì)有利于可靠性,何樂(lè)而不為!

            3?3減小元器件的負(fù)荷率是改善失效率的捷徑

            元器件實(shí)際工作中的負(fù)荷率和失效率之間存在著直接的關(guān)系。因而,元器件的類型,數(shù)值確定以后,應(yīng)從可靠性的角度來(lái)選擇元器件必須滿足的額定值。如半導(dǎo)體器件的額定功率、額定電壓、額定電流,電容器的額定電壓,電阻器的額定功率等等。

            (1)硅半導(dǎo)體器件

            環(huán)境溫度Ta=50℃,PD/PR對(duì)頻率的影響如表9所列。

            表9PD/PR對(duì)硅半導(dǎo)體器件失效率的影響

            PD/PR00.20.30.40.50.60.70.8
            λ[1/109h]3050150700250070002000070000
            由表9可知,當(dāng)PD/PR=0.8時(shí),失效率比0.2時(shí)增加了1000倍以上。

            (2)電容器

            英國(guó)曾發(fā)表電容器失效率λ正比于工作電壓的5次方的資料,稱為“五次方定律”,即λ∝U5。

            當(dāng)U=UR/2,

            λ=λR/25=λR/32(λR為額定失效率)

            當(dāng)U=0.8UR=UR/1.25,

            λ=λR/(1.25)5=λR/3.05

            當(dāng)電容器工作電壓降低到額定值的50%時(shí),失效率可以減小32倍之多。

            (3)碳膜電阻器

            環(huán)境溫度Ta=50℃,美國(guó)于上世紀(jì)70年代實(shí)際使用的軍品數(shù)據(jù)如表10所列。

            表10PD/PR對(duì)碳膜電阻器失效率的影響

            PD/PR00.20.40.60.81.0
            λ[1/109h]0.250.51.22.54.07.0
            由表10可知,當(dāng)PD/PR=0.8時(shí),失效率比0.2時(shí)增加了8倍。

            以上數(shù)據(jù)表明為了保證可靠性,必須減小元器件的負(fù)荷率。例如:美國(guó)“民兵”洲際導(dǎo)彈的電子系統(tǒng)規(guī)定元器件的負(fù)荷率為0.2。

            實(shí)際使用中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為:

            ——半導(dǎo)體元器件負(fù)荷率應(yīng)在0.3左右;

            ——電容器負(fù)荷率(工作電壓和額定電壓之比)最好在0.5左右,一般不要超過(guò)0.8;

            ——電阻器、電位器、負(fù)荷率≤0.5。

            總之,對(duì)各種元器件的負(fù)荷率只要有可能,一般應(yīng)保持在≤0.3。不得已時(shí),通常也應(yīng)≤0.5。

            3?4簡(jiǎn)化電路,減少元器件的數(shù)量,盡量集成化,認(rèn)真選用高可靠性的元器件,是提高可靠性的最基本思路

            電子系統(tǒng)可靠度

            R=R1·R2·R3……RN(0≤R≤1)。

            電子系統(tǒng)的失效率

            λ=n1·λ1+n2·λ2+n3·λ3……nN·λN.(λ≥0)

            顯然,元器件數(shù)量越多越不可靠。

            假如每個(gè)元器件Ri=0.999,共有5000個(gè)元器件,則R=0.9995000=0.01,顯然極不可靠。

            若元器件數(shù)量減到1800個(gè),則R=0.9991800=0.19。說(shuō)明如能做到元器件減少64%,可靠度將增加19倍。

            因而應(yīng)盡量采用集成化的器件。如一只集成電路可以代替成千上萬(wàn)只半導(dǎo)體三極管和二極管等器件,從而極大地提高了可靠性。

            還應(yīng)注意到選用高可靠性的元器件類型和品質(zhì)檔次的重要意義。例如功能相似的電容器,云母介質(zhì)的失效率就要比玻璃或陶瓷介質(zhì)的低30倍左右。同類的元器件,不同品質(zhì)檔次,如軍品和民品,上等質(zhì)量和下等質(zhì)量,在同樣的功能和條件下,失效率也會(huì)差3~10倍,選用應(yīng)慎之又慎。

            可以說(shuō),在保證相同功能和使用環(huán)境的條件下,越簡(jiǎn)化的電路,越少的元器件,系統(tǒng)就越可靠。

            例如:某公司1000VA高品質(zhì)交流參數(shù)穩(wěn)壓電源,使用于GM環(huán)境條件(移動(dòng),車載,通風(fēng)不理想,不便維修)。也能保證MTBF≥20萬(wàn)h。主要原因就是電路簡(jiǎn)單,元器件數(shù)量少。整臺(tái)電源只包括:

            ——特種變壓器1只

            基本失效率為λ1=300×10-9/h。

            ——金屬化薄膜電容器2只

            基本失效率為λ0=830×10-9/h。

            電容器負(fù)荷率為0.8。所以,

            λ2=(830/3.05)×10-9/h。

            ——焊接點(diǎn)20個(gè)

            基本失效率為λ3=5.7×10-9/h。

            因而:λΣ=λ1+2λ2+20λ3

            =[300+544+114]×10-9/h

            =958×10-9/h。

            使用于GM環(huán)境條件,平均πE=4,

            λΣP=λΣ·πE=3832×10-9/h。

            平均無(wú)故障工作時(shí)間

            MTBF=1/λΣP=(1/3832)×109/h

            =26×104h=26萬(wàn)h

            ≥20萬(wàn)h。

            年可靠度:P=1/eλΣP·8760=0.967=96.7%

            故障率:F=1-P=3.3%

            公司長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)數(shù)字也證明,該類電源的MTBF≥20萬(wàn)h。

            當(dāng)然,使用在其他環(huán)境條件,可靠性會(huì)更好。

            3?5重視元器件的老化工作減少系統(tǒng)的早期失效率

            元器件、設(shè)備、系統(tǒng)的失效率在整個(gè)使用壽命中并非是恒定不變的常數(shù),通常存在著如圖4所示的“浴盆曲線”。

            (1)早期通常早期失效率會(huì)比穩(wěn)定期的失效率高得多。造成失效的原因是元器件制造過(guò)程中的缺陷和裝機(jī)的差錯(cuò)或不完善的連接點(diǎn)或元器件出廠時(shí)漏檢的不合格產(chǎn)品混入所致。因而一定要先使設(shè)備運(yùn)行一個(gè)時(shí)期,進(jìn)行老化,使早期失效問(wèn)題暴露在生產(chǎn)廠老化期間。給用戶提供的是已進(jìn)入穩(wěn)定期的可靠產(chǎn)品。

            圖4失效率與時(shí)間的關(guān)系曲線

            老化的時(shí)間,日本的民用產(chǎn)品(如電視機(jī))一般不小于8h。而美國(guó)宇宙飛船規(guī)定每個(gè)元器件裝上飛船之前老化50h,裝上飛船以后,又老化250h,共300h。以淘汰有隱患的元器件,保證工作可靠性。實(shí)際工作中,對(duì)可靠性要求較高的設(shè)備老化時(shí)間確定在20~50h較為合適。

            (2)穩(wěn)定期此時(shí)失效率λ近于常數(shù),用作正常使用期。也可根據(jù)失效率λ來(lái)預(yù)算設(shè)備的其他可靠性指標(biāo)。通常,在較好的使用環(huán)境中,如果一旦出現(xiàn)故障能得到及時(shí)和正確的維修,則電子系統(tǒng)的穩(wěn)定期應(yīng)不短于6~8年。

            (3)磨損期設(shè)備使用的壽命末期,由于元器件的材料老化變質(zhì),或設(shè)備的氧化腐蝕、機(jī)械磨損、疲勞等原因造成。失效率λ將逐步增加,進(jìn)入不可靠的使用期。磨損期出現(xiàn)的具體時(shí)間,受各種因素影響,很不一致。設(shè)計(jì)合理,元器件質(zhì)量選擇較嚴(yán),環(huán)境條件不太惡劣的設(shè)備磨損期出現(xiàn)的時(shí)間會(huì)晚得多。

            4結(jié)論

            保證設(shè)備的可靠性是一個(gè)復(fù)雜的涉及廣泛知識(shí)領(lǐng)域的系統(tǒng)工程。只有給予充分的重視和認(rèn)真采取各種技術(shù)措施,才會(huì)有滿意的成果。其基本點(diǎn)為:

            (1)高可靠度的復(fù)雜系統(tǒng),一定要采用并聯(lián)系統(tǒng)

            的可靠性模型。系統(tǒng)內(nèi)保有足夠冗余度的備份單元,可以進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)切換。如果功能上允許,冷備份單元切換,較熱備份單元切換,更能保證長(zhǎng)期工作的可靠性。

            (2)任何電子系統(tǒng)都不可能100%地可靠。設(shè)計(jì)

            中應(yīng)盡量采用便于離機(jī)維修的模塊式結(jié)構(gòu),并預(yù)先保留必要數(shù)量(通常為5%)的備件。以便盡量縮短平均維修時(shí)間MTTR。使有效度A近于100%。

            (3)加強(qiáng)通風(fēng)冷卻,改善使用環(huán)境是成倍提高可

            靠性的最簡(jiǎn)便和最經(jīng)濟(jì)的方法。

            (4)簡(jiǎn)化電路,減少元器件的數(shù)量,減輕元器件的

            負(fù)荷率,選用高可靠的元器件是保證系統(tǒng)高可靠的基礎(chǔ)。

            (5)重視設(shè)備老化工作,減少系統(tǒng)早期失效率。

            相信,通過(guò)精心設(shè)計(jì),認(rèn)真生產(chǎn),嚴(yán)格質(zhì)檢,及時(shí)維修,完全可以使電子系統(tǒng)(含)達(dá)到十分接近于100%的可靠度。滿足國(guó)防,科研,工業(yè)等各方面的需求,并進(jìn)而走向世界。


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