電源設備可靠性的研討

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

2、，長期、穩(wěn)定地保持正常工作能力尤為重要。美國貝爾實驗室的研究報告指出：造成計算機等精密電子設備損壞的主要原因是電壓的浪涌（surge），即短期（10ms左右）或長期的過電壓，占全部損壞原因的45.3。雷擊占9.4。引起設備工作不正常和誤碼的主要原因是電壓過低（含短期脈動）（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格的場地供電標準，責成用戶予以保證。近年來，電源設備日趨復雜，元器件的品種和數量增加很快；使用環(huán)境也變得惡劣多樣；而所服務的電子系統(tǒng)又越來越重要和昂貴。以交流參數穩(wěn)壓電源為例，已廣泛地應用于車載、艦載、地面的軍用裝備，航空航天部門，鐵路和交通的信號和通

3、信系統(tǒng)等方面。電源需要日夜不停地連續(xù)運行，還要經受高、低溫，高濕，沖擊等考驗。運行中往往不允許檢修，或只能從事簡單的維護。這一切就使得電源設備的可靠性研究，變得刻不容緩，十分重要了。其實，早在上世紀70年代，英國電氣工程師學會發(fā)表的論文就指出：在提供軍事通信的英國天網系統(tǒng)的設計研制中，中心課題首先是可靠性！國際上，通用的可靠性定義為：在規(guī)定環(huán)境條件下，和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力。此定義適用于一個系統(tǒng)，也適用于一臺設備或一個單元。由于故障出現的隨機性質，用數學方式來描述可靠性，常用“概率”來表示。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)定時間內，完成規(guī)定功能的概率。例如：

4、對N個產品進行試驗，每經過t的時間間隔檢查一次，每次出故障的產品數為ni，則在T時間內的可靠度R（t）為：R（t）=（N）/N，可近似為：R（t）=（N）/NR（t）的數值范圍為：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個單元組成（串聯方式），各單元的R（t）分別為R1（t），R2（t）RN（t），則整個系統(tǒng)的R（t）=R1（t）·R2（t）RN（t）?？梢姡到y(tǒng)越復雜，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，人們認識上的主要誤區(qū)是把可靠性完全（或基本上）歸結于元器件的可靠性和制造裝配的工藝；忽略了系統(tǒng)設計對于可靠性的決定性的作用。

5、據美國海軍電子實驗室的統(tǒng)計，整機出現故障的原因和各自所占的百分比如表1所列：limt0N表1整機故障原因統(tǒng)計故障原因占總失效數的（）</tr>設計上的原因元器件質量上的原因操作和維護上的原因制造上的原因40302010在民用電子產品領域，日本的統(tǒng)計資料表明，可靠性問題80源于設計方面。（日本把元器件的選型，質量級別的確定，元器件的負荷率等部分也歸入設計上的原因）。總之，對系統(tǒng)的設計者而言，需明確建立“可靠性”這個重要概念，把系統(tǒng)的可靠性引為重要的技術指標，認真重視可靠性的設計工作，并采取足夠的提高可靠性的措施，才能使系統(tǒng)和產品達到穩(wěn)定、優(yōu)質的目標。2衡量系統(tǒng)可靠性的指標及其數學關系

6、2?1失效率定義為：該種產品在單位時間內的故障數。即：=dn/dt相對于每一個依然正常工作的樣品的失效率，=(1/NS)·dn/dt式中：NS為總試驗品N，經過t時間以后，依然正常工作的樣品數。工程上，采用近似式。如果在一定時間間隔（t1t2）內，試驗開始時的正常工作的樣品數為ns個，而經過（t1t2）后出現的故障樣品數為n個，則這一批樣品中對于每一個正常樣品的失效率為：=n/ns(t1t2)失效率的數值越小，則表示可靠性越高?？梢宰鳛殡娮酉到y(tǒng)和整機的可靠性特征量，更經常作為元器件和接點等的可靠性特征量。其量綱為1/h。國際上常用1/109h稱為fit，作為的量綱。例如，美國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故障。則：=n/ns(t1t2)代入ns=100，n=5，（t1t2）=60000h，則有：=0.83·106/h=830fit。美國1974年頒布的標準工作條件下的元器件基本失效率如表2所列（供參考）。2?2平均無故障工作時間MTBFMTBF的定義為：電子系統(tǒng)無故障工作時間的平均值。對于一批（N臺）電子系統(tǒng)而言：MTBF=ti/Nh式中：ti第i個電子系統(tǒng)的無故障工作時間h；N電子系統(tǒng)的數量。工程上，如一臺整機，在試驗時，總的試驗時間為T，

8、而出現了n次故障。出現故障進行修復，然后再進行試驗（維修的時間不包括在總試驗時間T內）。則：MTBF=T/nhMTBF數值越大，則表示該電子系統(tǒng)可靠性越高。MTBF的參考數據如表3所列：表3MTBF的參考數據電子系統(tǒng)名稱MTBF/(h)1978年集成彩色電視接收機（國際水平）2000阿波羅宇宙飛船電子計算機(22.5)×104英國天網衛(wèi)星系統(tǒng)1000美國“泰康”遠程導航設備（20世紀80年代）150Simods數字頻率合成器10×104還是以上述美國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5只有故障，那么對于每只

9、電容器來講：MTBF=100T/n=120×104h。在此，必須明確不論是失效率，還是平均無故障工作時間MTBF，均為衡量設備或元器件可靠性的“概率”性的指標。切不可誤解為對于上述電容器每只可以工作120萬h以后才會出現故障。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平均維修時間MTTRMTTR的定義為：系統(tǒng)維修過程中，每次修復時間的平均值。即：表2美國1974年頒布的標準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半導體二極管硅20齊納18半導體三極管鍺PNP56鍺NPN140硅PNP63硅NPN33表4國際通信衛(wèi)星系統(tǒng)有關R（t）參考數據電子系統(tǒng)名稱R(t)/()國際通信衛(wèi)星號地面站99.7天線93.5電源