開關(guān)電源壽命試驗

1、開關(guān)電源一壽命評估1電源的壽命的定義和期望壽命眾所周知，電子產(chǎn)品的故障如Bath-tub Curve （圖1,）所示，分為以下三種類熨。 減少羽.（DFR； Decreasing Failure Rate）初期，帶何缺陷的部分會發(fā)生故障，但隨看時間的推移，剩卜的都是穩(wěn)定的部件，故障率亦會F 降。這段時間稱為初期故障期。 一定型（CFR; Constant Failure Rate）此時，機器運行穩(wěn)定，故障率降至一定水平，發(fā)生的故障均為隨機性事件，稱為偶發(fā)性故障期。 這段時期的穩(wěn)定度和平均故障時間（MTBF）呈指數(shù)式分布。 增加型（IFR： Increasing Failure Rate）故障率

2、逐漸上升。故障發(fā)生原因為磨損。多見于風勵電動機的球形軸*及繼電器的驅(qū)動部位等處。 這種類熨的故障具有集中某處發(fā)生的特征，一般從初期開始即呈止態(tài)分布.因此，可以說好命就是指機器故障率保持不變的穩(wěn)定運行時期，也就是偶發(fā)故障期。用戶對電源的最低壽命的要求冬不相同,般最好考慮為7T0年。然而，機器的運行時間因機 而異，所以應明確限定期望壽命，并檢測設計是否符合壽命標準。P2表1中列舉了幾種主要電器的J6短壽命。它們是在設定完全使用時間為7年的前提下，根據(jù)乞種電器的運行狀況推算出來的數(shù)據(jù)。用途必要壽命時間負荷比時間計算printer額定負荷 4.200H1最大額定負荷8-2H/天最小額定負荷2H/天使用

3、天數(shù)300天/年皺人額定負荷殍命 6 H/夭x300大/年x7年"2-600H 瑕小額定負荷命 2 H/天x300天/年x7年=4.200H最大額定負荷12.600H1PC額定負荷1使用8H/天壽命8H/天x300天/年x7年= 16,800HPPC額定負荷556H1PCB個數(shù)500,000個/壽命最小負荷時間 500,000個x分/個x （H/分）=556H 最人額定負荷 （8H/7>300 天x7 年）-556H = 16.244H最小額定負荷16.244H0.050.2FAX額定負荷5.500H1最小額定負荷2H/天x365天/年x7年=5.110H最大額定負荷（24H/

4、天x365天/年x7年）-5.110H=56.210H最小額定負荷0.12電源裝置的壽命評估電源裝置因為處理電流的緣故，所用部件受到的電應力大，發(fā)熱雖為，機器內(nèi)部溫度上升快，所 以壽命評佔工作尤顯乖要.機器的壽命皋本上和使用部件的壽命掛鉤。部件壽命與熱、電應力成 函數(shù)關(guān)系，其中更以熱應力為主。從機器斤命設汁的觀點來看，如果將所仃部件的好命統(tǒng)一，則能達到理想的必優(yōu)性價比，但部件 的心命性能（影響部件春命的電力、環(huán)境特征）相簽巨大，因而嫌以實現(xiàn)。一般來說，盡可能降 低短壽部件的應力，并極限化使用長壽部件，可以實現(xiàn)部件壽命的平均化電阻類、陶瓷電容器和薄膜電容器等半導體部件不接觸強應力，壽命極長，因而

5、可以說卜曲舉出 的部件的殍命才真止決定了電源的好命。P33決定壽命的主要部件 電解電容器電解電容器的封口部位會漏出氣化的電解液，這種現(xiàn)象會隨看溫度的升島而加速，-傲認為溫度 每上升10°C,泄漏速度會提髙至2倍。因此可以說電解電容器決定了電源裝置的壽命。 開關(guān)晶體管、高速功率二極管此類部件在性能界限內(nèi)使川時，基本上可以維持770年的心命，但電源通斷（能雖循環(huán)）時產(chǎn) 生的物理應力、熱應力會導致元件劣化，提詢損壞。 風塌球形軸承及軸承的潤滑油枯竭、機械裝置部件的磨損，會加速風塌的老化。加Z近年的DCH扇 的驅(qū)動回路開始使用電解電容器等部件,所以有必要將回路部件壽命等因素也-）考慮進去.

6、光電耦合器電流傳達率（CTR： Current TransfeRatio）隨著時間的推移會逐漸減少，結(jié)果發(fā)光二極管的電 流不斷増大，有時會達到最大限制電流，致使系統(tǒng)失控。 開關(guān)多數(shù)開關(guān)電源設冇電容器輸入熨的整流冋路，在通入電源時，會產(chǎn)生浪涌電流，導致開關(guān)接點疲 勞，引發(fā)接觸電阻増大及吸附等問題。理論卜認為，在電源期第壽命期間，開關(guān)的通斷次數(shù)約有 5,000 回。 沖擊電流保護電阻、熱敏功率電阻器為抵抗電源通入時產(chǎn)生的沖擊電流，設計者將電阻與SCR等元件并聯(lián)起來使用。電源通入時的 電力蜂值離達額定數(shù)值的數(shù)1-倍至數(shù)白倍.結(jié)果匕致電磯熱疲勞，引起斷路。處在相同悄況卜的 熱敏功率電阻器也會發(fā)生熱疲勞

7、現(xiàn)彖。P44壽命測試4.1壽命測試的意義為保證裝置的心命，可以從構(gòu)成裝置的部件及材料的點命來推算裝置總體的心命，從而代咎了対 裝置本身的壽命測試.然而，推測畢竟只肚推測，要想貞止保障壽命，就必須切實搞好測試匸作。 另一方面，電源機器是整個裝遼的心臟部位，與其他部分相比，要求有更高的穩(wěn)定性。通過統(tǒng)計 來確定產(chǎn)品的耐用殍命，本是很普通的I作，但在這里，測試所耗費的樣品、時間和費用等成本 頗為可觀。耍解決這個難題，可以考慮采用以下三種方法： 依據(jù)儲存數(shù)據(jù)和過去的實際經(jīng)驗，挑出短壽部件，對其進行專門的壽命測試，從而推算出整 個電源裝置的壽命。 嚴格限制故障標準，從嚴判定故障。 提島測試時的應力值，或者

8、增加巫復電源通斷的次數(shù)。任易出故障的條件卜，縮短檢測時間, 從嚴判定故障。第條要求操作者充分把握部件的使用狀態(tài)，因為萬一個別部件所受的應力超過預計，則有可能 導致判斷失誤。需要注意的是：設訃電源裝胃時必須占慮到所仃部分的耐用好命和穩(wěn)定性，所以 這種卷命測試不僅可以推算出機器的耐用壽命,更可以有效排除制逍商方面的設計失謀及漏洞。 電源機器的設汁也要考慮到用戶的使用條件，但是因為用戶未必都能充分把握冇關(guān)規(guī)格要求，所 以測試包括電源裝胃在內(nèi)的機器總體的春命是很有效的手段。這種做法也有利于用戶方面對制造 商進行比較，增強廠家競爭力。4.2故障類型與故障構(gòu)成冇關(guān)壽命的故障類熨是指部件故障的外在表現(xiàn)，例如

9、電源裝置中出現(xiàn)的輸出值下降，輸出電壓異 常上升等問題。這些類型是部件的故障類型中的短路、開躋和特性值改變引起的表現(xiàn)。故障構(gòu)成在這里是指引發(fā)個別部件的故障的理論模型，也就是說從材料化學、原子分子的層而上 看，部件發(fā)生故障的原因是什么。關(guān)于故障構(gòu)成的知識將會在卜文中就不同部件詳細說明。耍想研究4命測試的方法，必須先將故障類型號故障構(gòu)成的相互關(guān)系理淸。圖2標明了二者間 的關(guān)系。P54.3加速壽命測試壽命測試需耍大量樣晶和很多時間，故而一般采用加速壽命測試法。4.3.1加速要求好命加速的允許范闌是指能夠保證隨著咸力的增強，故障結(jié)構(gòu)不變，聞特性值變化的形式、故障 時間的分布、平均心命和故障率等發(fā)生規(guī)則變

10、化的條件。應力如果過強，則會導致其它的劣化現(xiàn) 彖，所以應昭意應力值的設定。4.3.2劣化反應與加速系數(shù)部件及材料的特性值會隨著皋本物質(zhì)的擴散、氧化和再結(jié)晶等反應而發(fā)生劣化。設特性值為(P，反應速度為K, K與(p的關(guān)系如下：df(p)/dt=K(1)因此 f(p)=Kt(2)假設特性值(P達到故障標準a時，好命L就將結(jié)束。則由(2)可得f(a)=KL対命的加速系數(shù)AL為AL= LN/L = K/KN(3)LN、KN各為基準值另，根據(jù)阿列里烏斯推論，加速系數(shù)為ALM2JT/0T(4)但，Z)T = T-TN6T=T - TN8r= (T TNLN2) /BB：相應的活性化能源除以玻耳茲曼常數(shù)所得

11、的特殊常數(shù)。(注：玻耳茲曼常數(shù)為1.3709x10-10爾格/絕對溫度。)TN：標準溫度。一瑕電器的W值舉本上為10*0左右，所以(4)式被稱為1CTC2倍定律，但這種關(guān)系式并非總 是能夠成立。電子部件任接近常溫時，每上升WC,壽命約減少至2/31/2。4.3.3故障構(gòu)成與壽命測試壽命測試的內(nèi)容依據(jù)故障構(gòu)成來設定。如圖3所示，由5種測試組成。P64.3.4高溫斷續(xù)測試的要求諸如繼電器、開關(guān)和電購等機械性部件，以及功率晶體管，功率二極管等部件的升溫現(xiàn)象很 嚴重，因而有必要進行髙溫斷續(xù)測試。通過切斷和通入輸入電源，使元件反復進行升溫和冷卻的 周期循壞，從而測得元件對熱疲勞的附力。實際操作時需耍巫復

12、循環(huán)5, 00010, 000次。 環(huán)境溫度：5080C斷續(xù)循環(huán)：5,000-10,000次檢測項H：逐次檢測元件的一般性能.本測試亦町與高溫連續(xù)測試組合使用。4.3.5高溫連續(xù)壽命測試的要求環(huán)境溫度：508CTC連續(xù)通電時間：1,000-3,000小時檢測項目：一般性能(輸入電壓變化、輸出電流變化、味動電壓和輸出電壓偏差)不同的機器所耍求的壞境溫度及連續(xù)通電時間也不盡相同，一般按照卜抽的方法求出。假定電源 裝置的機器外部環(huán)境溫度平均為25°C,考慮到機器內(nèi)部的升溫I人I索，電源周用的溫度比機器外 部約髙1015'C，即3540°C。當然，特殊用途的電源不在此限。電

13、源的期望壽命平均為40,000小時，由阿列里烏斯公式可得LN=40,000H, TN=35°C, 0r=1O 0 代入第(3)、(4)式中可得下式：L二40,000 2- (T-35) /10(5)設定環(huán)境溫度前，冇必要了解裝置的溫度上限?？刹捎盟^的淘汰測試法，逐級提高溫度至測 試對象報廢，從而測得對象的耐溫I:限。電源機器的極限溫度為7090C,如果能將壞境溫度 提咼到此種程度，則可以加快機器好命的終結(jié)。此外，電解電容器是掇脆弱的部件，因浙仃必要 事先獲悉其壽命值，并11在進行測試時，確保基本上不超過其溫度上限。例如，設"759,則由(5)式可得L二2,500小時。4.

14、3.6高溫高濕測試針對金屬部件的腐蝕、刻料部件的分解等造成的機械強度和絕緣耐力卜降等故障，宜進行高溫高 濕測試。耍求如下：環(huán)境溫度：4050°C相對濕度：9095%放宣時間：96小時(通電或不通電)檢測項口：按上述耍求放置后，取出放置在常溫常濕下30分鐘，進行-般性能、振 動測試、絕緣耐力測試和外觀檢査。4.3.7溫度循環(huán)測試環(huán)境溫度的島低基產(chǎn)生季卩裂紋等變溫性應力，從而導致焊接、犁模部件發(fā)生故障。進行本測試 即是為了檢測出這種故障是否存在。要求如下：環(huán)境溫度：高溫5060C常溫25*C低溫一5一10*0P7將測試用電源放入上述三個恒溫箱中乞510小時，帝復髙溫一常溫一低溫一常溫一髙

15、溫的循 環(huán)3050次。檢測項U： 般性能、振動測試和外觀檢查。5部件的壽命評估5.1電解電容器 舟命性能電解電容器的心命結(jié)束形式為磨損故障，決定命的主要因索為的電容量、損失角的止切(tan6). 漏電流等。隨著時間的推移，靜電容量減少,tanO增大.漏電流在外加電壓時有增加的趨勢, 所以對負荷的壽命影響不大。 舟命的判定用百分比來農(nóng)示靜電容園相對丁起始值的變化率，敗達到一20%以下時即告行命結(jié)束。tan6 的值在超過規(guī)定值時壽命結(jié)束。漏電流在零負荷的情況下冇增加的趨勢，同理，在超過規(guī)定侑時 壽命結(jié)束。®彩響妤命的主耍原因前ihi講到的特性之所以會產(chǎn)生劣化，其主耍原因在于電解液。隨著溫

16、度的上升，電解液氣化，經(jīng) 電容器的封11部位向外泄漏，內(nèi)部的電解液不斷減少。融著電解液凰的減少，tan。會逐漸增人, 結(jié)果脈沖電流經(jīng)由時產(chǎn)生的發(fā)熱量増大，又進一步加快了劣化過程。這種關(guān)系如圖4、圖5所 示。 壽命的推算鋁電解電容器的近似命可以山環(huán)境溫度號脈沖電流引起的門發(fā)熱溫度屮推弘下面的式f農(nóng)現(xiàn) 了壽命與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。（6）在這里,L仁溫度T1時的卷命L2二溫度T2時的野命T仁最髙保證溫度或測試溫度+脈沖發(fā)熱溫度T2二推算券命時的環(huán)境溫度+脈沖發(fā)熱溫度些求T1 > T2測定脈沖發(fā)熱的升溫值時,需避開其它熱輻射。另外,小型電解電容器受熱極易升溫，最好進 行表面溫度實測。5.2光電耦

17、合器GaAs系的紅外發(fā)光二極管多使用光電耦合器。這種發(fā)光二極管的發(fā)光效率的退化會導致CTR （電流傳達率）下降，其它的CTR劣化形式還有芯片面的光結(jié)合樹脂剝離。溫度越高，P8CTR的下降也越快。同時，一極管電流越大，CTR下陸也越快.圖6、圖7標明了這些因素間 的關(guān)系。CTR降至起始值的50%所耗的時間稱為半衰期。電源回路的統(tǒng)訃中以此為限界值，所以叮以認 為半衰期就圧卷命時間。通常條件下，半衰期為5萬10萬小時，但所有的光電耦介器都H有 如圖8所示的壽命值，因而在進行壽命評估之前最好確認一次。5.3風扇風塌的點命受軸承及球形軸広的煥損程度影響。軸広部分因旋轉(zhuǎn)而發(fā)熱，風扇I也雖能進行-農(nóng) 程度的

18、冷卻，但不能從根本上解決發(fā)熱問題。測出軸承部位的升溫值，升溫值越小，質(zhì)量越好, 由此來選擇合適的制造商。圖6 （左上圖）保存溫度對CTR的徑時變化圖7 （右上圖）動作試驗與CTR的徑時變化軸承部位的潤滑油干枯及軸承的憔損導致轉(zhuǎn)數(shù)尺降，噪音増大，加快了壽命的終結(jié).關(guān)于轉(zhuǎn)數(shù)的 減少，各制造商的標準不盡相同，但一般以起始值的 45%為1諷。好命隨著溫度的I Jl ifij縮 短。普通的DC無刷電動機在40*C的環(huán)境下，命約為40, 000小時，廉價的金屬軸承風扇約 為10, 000小時。圖9標出了風扇的壽命的特性值。另外，DC風心的壽命還受內(nèi)臟部分一 電動機驅(qū)動冋路影響風扇中經(jīng)常會用到鋁電解電容器，

19、因此有必要將電容器拆開檢代（鋁電解 是105*C部件吧）。P95.4半導體壽命杵能阿列里烏斯反應速度公式同樣適用于半導體的存命。根據(jù)上曲提到過的（4）式，殍命L與溫度 T之間有如下關(guān)系：A：常數(shù)EO：活性化能量k:玻耳茲曼常數(shù)故障的構(gòu)成活性化能量氧化膜缺陷0.3 0.4eV離子性偏移0.7 1.3eV長時常數(shù)陷阱1.0eV電致徙動斷路0.6-1.0eV金屬腐蝕0.5 0.7eV金屬間化介物生成0.5 0.7eV衣2活性化能匾活性化能廣由故障的構(gòu)成決定，取農(nóng)2屮的特殊值。圖10表示了將Tj=125°C時的壽命設為1之后，相對 壽命與溫度之間的關(guān)系，大致反映了半導體的壽命對 溫度的依賴性

20、。功率循環(huán)功率晶體管、功率二極管等元件會隨著能園通斷造成 的溫度循環(huán)而發(fā)生熱疲勞.設計時，應考慮到這種熱 疲勞的影響，并對照芯片9縫隙、封膜之間的線性膨 脹系數(shù)，采用特殊金屬來連接芯片號裂縫，以減輕熱 膨脹帶來的機械性變形。川功率循環(huán)來表示壽命，一傲冇10, 000次以上。從電源的期琨壽命 來看，需要保持循環(huán)5, 000次以上。P105.5電阻器電阻的穩(wěn)定性髙，故障率為1FIT以下，壽命極長，所以平時使用時無需待別留意.然而，因為 電阻值會發(fā)生變化，如果耍求高粘度的電陰值，則需要特別注臥用在電源中的謀基放人器、分 瓣電阻及標準電壓中使用的電阻導就是用來保證電阻粘確度的。圖11舉出了電阻器的電阻

21、經(jīng)時 變化情況。沖擊電流防護冋路中使用的像電阻器一樣帶有浪洶電力的尤件，會因為開-關(guān)的循環(huán)而發(fā)生熱疲 勞，導致斷路。浪涌電力、持續(xù)時間和循環(huán)次數(shù)成以下關(guān)系。帶負荷的衰減波形的耐浪涌特性如圖13所示。將最人的豹波形的蜂值電壓（Vp）代入（7） 式，可得Vrms,再代入（8）式，可求得額定電力倍數(shù)。這兩個數(shù)值和衰減時間常數(shù)都適用于 圖13。該曲線的內(nèi)側(cè)為安全地帶.使用普通的銀鋸線（耐浪涌）時，約可承受30,000次浪涌。（7）（8）R：電阻值，W：額定功率時間常數(shù)是當衰減波形的實效值降至第一波形的0.368倍時的時間值,所以其數(shù)值-般從電阻值 上的波形照片中獲得。P115.6熱敏功率電阻器 舟命性

22、能作為沖擊電流防護回路的部件,使用在較小容斗（不超過70W）的電源中。電源接入時，電流 達到最大侑，熱敏電阻阪著溫度的上升，電阻值降低.通常溫度會上升至7090°C,雖然熱敏 電阻采用的是耐熱材料，但熱疲勞仍然會影響其壽命。制造商方面的壽命規(guī)格：當通過最大允許 電流時，斷續(xù)負荷的壽命為10,000次循環(huán)。然而,熱敏電阻器在用來防護沖擊電流時，電源通 入后，電阻上通過的電流會達到股人允許電流的10-20倍，所以功率循環(huán)的耐川期也會縮短。 壽命判定電阻值隨時間的推移而發(fā)生變化，其變化率超過觀定值時，壽命即告終I上。熱敏功率電阻在用來 防護沖擊電流時，電阻值會逐漸變大。表3列出了熱墩電阻殍

23、命性能規(guī)格。農(nóng)3熱蝕功率電阻器的妤命性能項口規(guī)格條件斷續(xù)負荷壽命電陽變化±10%常溫常濕，外加最大允許電流1,000小時，反復進行1 分鐘ON5分鐘OFF的循環(huán)連續(xù)負荷殍命電阻變化率±10%常溫常濕，連續(xù)外加最大允許電流1,000小時. 其后放置25C環(huán)境中1小時,再進行檢測潮濕放置電阻變化率±10%環(huán)境溫度40±3,相對濕度9095%,放置1,000小時。其后放置25X?環(huán)境中4小時,再進行檢測P126.7塑膜電容器薄膜電容器的故障類型分為開路、絕緣電阻下降和短路。雖變過程農(nóng)現(xiàn)為電介質(zhì)損火的增加（tanO 增大）及那電容量的減少。一般來說，薄膜電容器的

24、劣化會受外加電斥及溫度影響而加速，電壓加速和溫度加速的悄況分別 適用于57倍相乘法和10*C翻倍法。由下式推算壽命L：（9）注：L0：溫度TO、電壓V0時的壽命V：實際外加電壓T:使用環(huán)境溫度n: 57Q: 10*C電容器制造商通過加速殍命測試獲得好命數(shù)據(jù)，從U確定好命規(guī)格。例如，©溫度為85£,外 加電壓為額定值的1.25倍的條件下，保證殍命在1,000小時以上。按實際使用怙況來推算壽命 時長，可將上面的保證壽命值代入（9）式中求出。如果充分考虔電壓和溫度折損值，則算出的 壽命極為漫長（1,000力小時），不過這種低應力條件下的殍命推算并沒有什么實際意義，對選 擇制造商也

25、毫無裨益。5.8陶瓷電容器陶瓷電容器的劣化形式主要為掙電容就減少。外加電壓和溫度會加快劣化進程，其影響效果分別 適用于3倍法和20C翻倍法。電容率高的材料，靜電容屋的減少更為明顯。有些髙電容率的材 料，在使用1,000小時后,容量變化高達20%。推算壽命L通過春命性能用（9）式求出。但，L0：外加電壓V0、溫度T0時的壽命V：實際外加電壓n:3, Q： 20°C陶逢電容器和薄膜電容器-樣，通過加速壽命測試取須的數(shù)據(jù)來確定壽命規(guī)格，即以保證值為依 據(jù)，由（9）式求得壽命規(guī)格。P135.9繼電器、開關(guān)繼電器和開關(guān)的壽命分兩種：一為機械壽命，-為電壽命。詢者由機械部件的磨損程度決定，包 括

26、開關(guān)靈活性下降、繼電器匸作時間和復位時間延長等現(xiàn)象。后者主要受絕緣電陽和接點的接觸 電阻增大的彩響。以上幾種劣化形式中,最需要引起注總的是電感負戮的浪涌電壓引發(fā)的接點電 弧現(xiàn)象，以及沖擊電流引發(fā)的接點劣化問題。-般來說，開關(guān)電壓和電流越人，接點介命越短。 功率因數(shù)越小，壽命越短。圖14表示了繼電器的壽命性能。雖然制造商提供的數(shù)據(jù)并非全然無用，但伏I為負載狀態(tài)對壽命性能影響極大，所以最好在冋路實 際工作條件下進行測試。圖15、圖16是繼電器的壽命測試數(shù)據(jù)，圖仃、圖18是開關(guān)的測試數(shù) 據(jù)。P145.10印制底板的焊接 壽命性能單ihi卬制底板造價低，應用廣泛，缺點是機械性能22,制作上限制很務。而

27、11,單面底板的焊接 穩(wěn)定性和壽命性能均不如雙面通孔印制底板，所以壽命評佔尤顯重翌。圖19是焊接模樂。焊接的劣化分以下三種類型：a. 導線的張力負載導致導線的接合面松動及銅箔連接部分剝落。b. 動態(tài)負載引起的焊接與導線部分的松動。動態(tài)負載是穩(wěn)定振蕩的負載。c靜態(tài)負截引起的焊接蠕變。濟態(tài)負載就是固定的負載。蠕變是指沸態(tài)負載K期枳壓，導致焊接 內(nèi)部發(fā)生的永久性變形。 動態(tài)負載中的a、b兩種類型是焊接變形受負載影響，超過彈性界限而引發(fā)的故障。這-過程會受溫度循環(huán)的影響而加快。圖20舉出了動態(tài)負載造成次品發(fā)生的例子。如本圖所示，將雙接 頭部件的導線焊至接合區(qū)，取復100°C （8小時）、常溫25C （16小時）的循環(huán)，毎循環(huán)5次后, 于常溫屮進行1小時的振動測試，使焊接部分接受動態(tài)負載。次品率是指在反復進行這種循環(huán) 處理30次后，單血接合區(qū)的焊接和導線部分發(fā)生接觸不良的比率。P15 靜態(tài)負載金屬材料及塑料材料承受負載時，會發(fā)生