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題，適用于幾乎所有的電子系統(tǒng)和機電一體化設(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(shè)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(shè)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(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(shè)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(shè)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(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，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(jīng)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(shè)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(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)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(nèi)，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(shè)備或一個單元。由于故障出現(xiàn)的隨機性質(zhì)，用數(shù)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(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。例如：

4、對N個產(chǎn)品進行試驗，每經(jīng)過t的時間間隔檢查一次，每次出故障的產(chǎn)品數(shù)為ni，則在T時間內(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），則整個系統(tǒng)的R（t）=R1（t）·R2（t）RN（t）?？梢?，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，人們認識上的主要誤區(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)計對于可靠性的決定性的作用。

5、據(jù)美國海軍電子實驗室的統(tǒng)計，整機出現(xiàn)故障的原因和各自所占的百分比如表1所列：limt0N表1整機故障原因統(tǒng)計故障原因占總失效數(shù)的（）</tr>設(shè)計上的原因元器件質(zhì)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(chǎn)品領(lǐng)域，日本的統(tǒng)計資料表明，可靠性問題80源于設(shè)計方面。（日本把元器件的選型，質(zhì)量級別的確定，元器件的負荷率等部分也歸入設(shè)計上的原因）。總之，對系統(tǒng)的設(shè)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(shù)指標，認真重視可靠性的設(shè)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(chǎn)品達到穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的目標。2衡量系統(tǒng)可靠性的指標及其數(shù)學關(guān)系

6、2?1失效率定義為：該種產(chǎn)品在單位時間內(nèi)的故障數(shù)。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(jīng)過t時間以后，依然正常工作的樣品數(shù)。工程上，采用近似式。如果在一定時間間隔（t1t2）內(nèi)，試驗開始時的正常工作的樣品數(shù)為ns個，而經(jīng)過（t1t2）后出現(xiàn)的故障樣品數(shù)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(shù)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(jīng)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)了n次故障。出現(xiàn)故障進行修復(fù)，然后再進行試驗（維修的時間不包括在總試驗時間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（國際水平）2000阿波羅宇宙飛船電子計算機(22.5)×104英國天網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)1000美國“泰康”遠程導(dǎo)航設(shè)備（20世紀80年代）150Simods數(shù)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(xiàn)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(shè)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(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平均維修時間MTTRMTTR的定義為：系統(tǒng)維修過程中，每次修復(fù)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(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)/()國際通信衛(wèi)星號地面站99.7天線93.5電源