電源設(shè)備可靠性的研討
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
——GM：地面移動式和便攜式的環(huán)境。劣于地面固定式的條件，主要是沖擊振動。通風(fēng)冷卻可能受限制，只能進(jìn)行簡易維修。
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 | GB | GF | NS | GM | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 集成電路 | 0.2 | 1.0 | 4.0 | 4.0 | 說明：λp=λb·πE式中： λp實際使用中的 失效率λb基本 失效率πE環(huán)境系數(shù) | |
| 電位器 | 1.0 | 2.0 | 5.0 | 7.0 | ||
| 功率型薄膜電阻器 | 1.0 | 5.0 | 7.5 | 12.0 | ||
| 電容器 | 紙和塑料膜 | 1.0 | 2.0 | 4.0 | 4.0 | |
| 陶瓷 | 1.0 | 2.0 | 4.0 | 4.0 | ||
| 鋁電介 | 1.0 | 2.0 | 12.0 | 12.0 | ||
| 變壓器 | 1.0 | 2.0 | 5.0 | 3.0 | ||
| 繼電器 | 軍用 | 1.0 | 2.0 | 9 | 10 | |
| 下等質(zhì)量 | 2.0 | 4.0 | 24 | 30 | ||
| 開關(guān) | 0.3 | 1.0 | 1.2 | 5.0 | ||
| 接插件 | 軍用 | 1.0 | 4.0 | 4.0 | 8.0 | |
| 下等質(zhì)量 | 10 | 16 | 12 | 16 | ||
過高的環(huán)境溫度對元器件的可靠性非常有害：
（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（PD：使用功率，PR：額定功率），則環(huán)境溫度對可靠性的影響，如表6所列。
表6環(huán)境溫度對半導(dǎo)體器件可靠性的影響
| 環(huán)境溫度Ta[℃] | 20 | 50 | 80 |
|---|---|---|---|
| 失效率λ[1/109h] | 500 | 2500 | 15000 |
以UD/UR=0.6設(shè)計（UD：使用電壓，UR：額定電壓），則環(huán)境溫度對可靠性的影響如表7所列。
表7環(huán)境溫度對電容器可靠性的影響
| 環(huán)境溫度Ta[℃] | 20 | 50 | 80 |
|---|---|---|---|
| 失效率λ[1/109h] | 5 | 25 | 70 |
以PD/PR=0.5設(shè)計，則環(huán)境溫度對可靠性的影響如表8所列。
表8環(huán)境溫度對碳膜電阻器可靠性的影響
| 環(huán)境溫度Ta[℃] | 20 | 50 | 80 |
|---|---|---|---|
| 失效率λ[1/109h] | 1 | 2 | 4 |
可見，加強(qiáng)通風(fēng)冷卻十分有益于電子系統(tǒng)的可靠性。國內(nèi)有些部門（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題。其實，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)運行6年以上）。更換風(fēng)扇比其他部件的維修也省力省時得多。只要在系統(tǒng)設(shè)計條件中，規(guī)定風(fēng)扇即使不工作，設(shè)備依然可以長期正常運行。那么，加強(qiáng)通風(fēng)冷卻，絕對有利于可靠性，何樂而不為！
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對頻率的影響如表9所列。
表9PD/PR對硅半導(dǎo)體器件失效率的影響
| PD/PR | 0 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| λ[1/109h] | 30 | 50 | 150 | 700 | 2500 | 7000 | 20000 | 70000 |
（2）電容器
英國曾發(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，失效率可以減小32倍之多。
（3）碳膜電阻器
環(huán)境溫度Ta=50℃，美國于上世紀(jì)70年代實際使用的軍品數(shù)據(jù)如表10所列。
表10PD/PR對碳膜電阻器失效率的影響
| PD/PR | 0 | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1.0 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| λ[1/109h] | 0.25 | 0.5 | 1.2 | 2.5 | 4.0 | 7.0 |
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“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。
實際使用中的經(jīng)驗數(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0.8；
——電阻器、電位器、負(fù)荷率≤0.5。
總之，對各種元器件的負(fù)荷率只要有可能，一般應(yīng)保持在≤0.3。不得已時，通常也應(yīng)≤0.5。
3?4簡化電路，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。
假如每個元器件Ri=0.999，共有5000個元器件，則R=0.9995000=0.01，顯然極不可靠。
若元器件數(shù)量減到1800個，則R=0.9991800=0.19。說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，失效率也會差3～10倍，選用應(yīng)慎之又慎。
可以說，在保證相同功能和使用環(huán)境的條件下，越簡化的電路，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，車載，通風(fēng)不理想，不便維修）。也能保證MTBF≥20萬h。主要原因就是電路簡單，元器件數(shù)量少。整臺電源只包括：
——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20個
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。
平均無故障工作時間
MTBF=1/λΣP=（1/3832）×109/h
=26×104h=26萬h
≥20萬h。
年可靠度：P=1/eλΣP·8760=0.967=96.7％
故障率：F=1－P=3.3％
公司長期生產(chǎn)實踐的統(tǒng)計數(shù)字也證明，該類電源的MTBF≥20萬h。
當(dāng)然，使用在其他環(huán)境條件，可靠性會更好。
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程中的缺陷和裝機(jī)的差錯或不完善的連接點或元器件出廠時漏檢的不合格產(chǎn)品混入所致。因而一定要先使設(shè)備運行一個時期，進(jìn)行老化，使早期失效問題暴露在生產(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失效率與時間的關(guān)系曲線
老化的時間，日本的民用產(chǎn)品（如電視機(jī)）一般不小于8h。而美國宇宙飛船規(guī)定每個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。實際工作中，對可靠性要求較高的設(shè)備老化時間確定在20～50h較為合適。
（2）穩(wěn)定期此時失效率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)的具體時間，受各種因素影響，很不一致。設(shè)計合理，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)的時間會晚得多。
4結(jié)論
保證設(shè)備的可靠性是一個復(fù)雜的涉及廣泛知識領(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，才會有滿意的成果。其基本點為：
（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)行自動或手動切換。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
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
靠性的最簡便和最經(jīng)濟(jì)的方法。
（4）簡化電路，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，通過精心設(shè)計，認(rèn)真生產(chǎn)，嚴(yán)格質(zhì)檢，及時維修，完全可以使電子系統(tǒng)（含電源設(shè)備）達(dá)到十分接近于100％的可靠度。滿足國防，科研，工業(yè)等各方面的需求，并進(jìn)而走向世界。
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