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。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/179312.htm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(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,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(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)定時間內(nèi),完成規(guī)定功能的概率。
例如:對N個產(chǎn)品進(jìn)行試驗,每經(jīng)過Δt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-)/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)計對于可靠性的決定性的作用。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:
lim
Δt→0
N→∞
表1整機故障原因統(tǒng)計
故障原因 | 占總失效數(shù)的(%) |
---|---|
設(shè)計上的原因元器件質(zhì)量上的原因操作和維護(hù)上的原因制造上的原因 | 40302010 |
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)品在單位時間內(nèi)的故障數(shù)。即:
λ=dn/dt
相對于每一個依然正常工作的樣品的失效率,
λ=(1/NS)·dn/dt
式中:NS為總試驗品N,經(jīng)過Δt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(t1-t2)內(nèi),試驗開始時的正常工作的樣品數(shù)為ns個,而經(jīng)過(t1-t2)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平均無故障工作時間MTBF
MTBF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/N[h]
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,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(維修的時間不包括在總試驗時間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)
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 | (2~2.5)×104 |
英國天網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng) | 1000 |
美國“泰康”遠(yuǎn)程導(dǎo)航設(shè)備(20世紀(jì)80年代) | 150 |
Simods數(shù)字頻率合成器 | 10×104 |
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平均維修時間MTTR
MTTR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(biāo)準(zhǔn)工作條件下元器件失效率
元器件類型 | λ(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PNP | 56 |
鍺NPN | 140 | |
硅PNP | 63 | |
硅NPN | 33 |
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Ⅲ號 | 地面站 | 99.7 |
天線 | 93.5 | |
電源 | 94.2 | |
國際通信衛(wèi)星Ⅳ號轉(zhuǎn)發(fā)器電子設(shè)備 | 連續(xù)工作2個月時 | 99.9 |
連續(xù)工作7年后 | 79.0 | |
供電系統(tǒng)國際水平 | 99.95 |
式中:Δti—第i次的修復(fù)時間[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,實現(xiàn)方便快捷的維修或不停機維修有著重大的價值。
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