電源設(shè)備可靠性的研討

——GM：地面移動(dòng)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(dòng)。通風(fēng)冷卻可能受限制，只能進(jìn)行簡(jiǎn)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

過高的環(huán)境溫度對(duì)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(jì)（PD：使用功率，PR：額定功率），則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響，如表6所列。

表6環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)體器件可靠性的影響

以UD/UR=0.6設(shè)計(jì)（UD：使用電壓，UR：額定電壓），則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表7所列。

表7環(huán)境溫度對(duì)電容器可靠性的影響

以PD/PR=0.5設(shè)計(jì)，則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表8所列。

表8環(huán)境溫度對(duì)碳膜電阻器可靠性的影響

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(guó)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(shí)，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(yùn)行6年以上）。更換風(fēng)扇比其他部件的維修也省力省時(shí)得多。只要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件中，規(guī)定風(fēng)扇即使不工作，設(shè)備依然可以長(zhǎng)期正常運(yùn)行。那么，加強(qiáng)通風(fēng)冷卻，絕對(duì)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(shí)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(duì)頻率的影響如表9所列。

表9PD/PR對(duì)硅半導(dǎo)體器件失效率的影響

（2）電容器

英國(guó)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(shí)，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(guó)于上世紀(jì)70年代實(shí)際使用的軍品數(shù)據(jù)如表10所列。

表10PD/PR對(duì)碳膜電阻器失效率的影響

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(guó)“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(shí)際使用中的經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(shí)，通常也應(yīng)≤0.5。

3?4簡(jiǎn)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(gè)元器件Ri=0.999，共有5000個(gè)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(gè)，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(huì)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(jiǎn)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(dòng)，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(jiǎn)單，元器件數(shù)量少。整臺(tái)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(diǎn)20個(gè)

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(shí)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(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)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(huì)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(gè)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(huì)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(cuò)或不完善的連接點(diǎn)或元器件出廠時(shí)漏檢的不合格產(chǎn)品混入所致。因而一定要先使設(shè)備運(yùn)行一個(gè)時(shí)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(shí)間的關(guān)系曲線

老化的時(shí)間，日本的民用產(chǎn)品（如電視機(jī)）一般不小于8h。而美國(guó)宇宙飛船規(guī)定每個(gè)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(shí)際工作中，對(duì)可靠性要求較高的設(shè)備老化時(shí)間確定在20～50h較為合適。

（2）穩(wěn)定期此時(shí)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(shí)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(shí)間，受各種因素影響，很不一致。設(shè)計(jì)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(shí)間會(huì)晚得多。

4結(jié)論

保證設(shè)備的可靠性是一個(gè)復(fù)雜的涉及廣泛知識(shí)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(huì)有滿意的成果。其基本點(diǎn)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(dòng)或手動(dòng)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(zhǎng)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(jì)

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(shí)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(jiǎn)便和最經(jīng)濟(jì)的方法。

（4）簡(jiǎn)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(jì)，認(rèn)真生產(chǎn)，嚴(yán)格質(zhì)檢，及時(shí)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(guó)防，科研，工業(yè)等各方面的需求，并進(jìn)而走向世界。