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(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，長期、穩(wěn)定地保持正常工作能力尤為重要。美國貝爾實(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(yán)格的場地供電標(biāo)準(zhǔn)，責(zé)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，英國電氣工程師學(xué)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(jì)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(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(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。

例如：對N個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，每經(jīng)過Δt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－）/N

R（t）的數(shù)值范圍為：0≤R（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RΣ（t）=R1（t）·R2（t）…RN（t）。可見，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)對于可靠性的決定性的作用。據(jù)美國海軍電子實(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：

lim

Δt→0

N→∞

表1整機(jī)故障原因統(tǒng)計(jì)

2衡量系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)及其數(shù)學(xué)關(guān)系

2?1失效率λ

λ定義為：該種產(chǎn)品在單位時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)。即：

λ=dn/dt

相對于每一個(gè)依然正常工作的樣品的失效率，

λ=(1/NS)·dn/dt

式中：NS為總試驗(yàn)品N，經(jīng)過Δt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（t1－t2）內(nèi)，試驗(yàn)開始時(shí)的正常工作的樣品數(shù)為ns個(gè)，而經(jīng)過（t1－t2）后出現(xiàn)的故障樣品數(shù)為n個(gè)，則這一批樣品中對于每一個(gè)正常樣品的失效率λ為：

λ=n/[ns(t1－t2)]

失效率λ的數(shù)值越小，則表示可靠性越高。λ可以作為電子系統(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]。國際上常用[1/109h]稱為[fit]，作為λ的量綱。

例如，美國GE公司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：

λ=n/〔ns(t1－t2)〕

代入ns=100，n=5，（t1－t2）=60000h，則有：

λ=0.83·10－6/h=830[fit]。

美國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平均無故障工作時(shí)間MTBF

MTBF的定義為：電子系統(tǒng)無故障工作時(shí)間的平均值。

對于一批（N臺）電子系統(tǒng)而言：MTBF=ti/N[h]

式中：ti—第i個(gè)電子系統(tǒng)的無故障工作時(shí)間[h]；

N—電子系統(tǒng)的數(shù)量。

工程上，如一臺整機(jī)，在試驗(yàn)時(shí)，總的試驗(yàn)時(shí)間為T，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/n[h]

MTBF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)

T=60000h，100只受試電容共出現(xiàn)5只有故障，那么對于每只電容器來講：

MTBF=100T/n=120×104h。

在此，必須明確不論是失效率λ，還是平均無故障工作時(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(shí)間MTTR

MTTR的定義為：系統(tǒng)維修過程中，每次修復(fù)時(shí)間的平均值。即：

表2美國1974年頒布的標(biāo)準(zhǔn)工作條件下元器件失效率

表4國際通信衛(wèi)星系統(tǒng)有關(guān)R（t）參考數(shù)據(jù)

式中：Δti—第i次的修復(fù)時(shí)間[h]。

M—修復(fù)次數(shù)。

任何設(shè)備無論如何可靠，永遠(yuǎn)存在著維修的問題。所以MTTR總是越小越好。因而，實(shí)現(xiàn)方便快捷的維修或不停機(jī)維修有著重大的價(jià)值。