電源設備可靠性的研討

——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πE如表5所列：

表5環(huán)境系數πE

過(guò)高的環(huán)境溫度對元器件的可靠性非常有害：

（1）半導體器件（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)境溫度對半導體器件可靠性的影響

以UD/UR=0.6設計（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

以PD/PR=0.5設計，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

可見(jiàn)，加強通風(fēng)冷卻十分有益于電子系統的可靠性。國內有些部門(mén)（如鐵路）要求系統有很高的可靠性，又明令不許使用風(fēng)扇進(jìn)行強迫通風(fēng)冷卻。結果不僅設備成本提高，可靠性也難以真正保證，人為地造成了許多問(wèn)題。其實(shí)，現在優(yōu)質(zhì)的風(fēng)扇可以保證50000～60000h的使用壽命（相當于連續運行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。只要在系統設計條件中，規定風(fēng)扇即使不工作，設備依然可以長(cháng)期正常運行。那么，加強通風(fēng)冷卻，絕對有利于可靠性，何樂(lè )而不為！

3?3減小元器件的負荷率是改善失效率的捷徑

元器件實(shí)際工作中的負荷率和失效率之間存在著(zhù)直接的關(guān)系。因而，元器件的類(lèi)型，數值確定以后，應從可靠性的角度來(lái)選擇元器件必須滿(mǎn)足的額定值。如半導體器件的額定功率、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對硅半導體器件失效率的影響

（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(chēng)為“五次方定律”，即λ∝U5。

當U=UR/2，

λ=λR/25=λR/32（λR為額定失效率）

當U=0.8UR=UR/1.25，

λ=λR/（1.25）5=λR/3.05

當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℃，美國于上世紀70年代實(shí)際使用的軍品數據如表10所列。

表10PD/PR對碳膜電阻器失效率的影響

以上數據表明為了保證可靠性，必須減小元器件的負荷率。例如：美國“民兵”洲際導彈的電子系統規定元器件的負荷率為0.2。

實(shí)際使用中的經(jīng)驗數據為：

——半導體元器件負荷率應在0.3左右；

——電容器負荷率（工作電壓和額定電壓之比）最好在0.5左右，一般不要超過(guò)0.8；

——電阻器、電位器、負荷率≤0.5。

總之，對各種元器件的負荷率只要有可能，一般應保持在≤0.3。不得已時(shí)，通常也應≤0.5。

3?4簡(jiǎn)化電路，減少元器件的數量，盡量集成化，認真選用高可靠性的元器件，是提高可靠性的最基本思路

電子系統可靠度

R=R1·R2·R3……RN（0≤R≤1）。

電子系統的失效率

λ=n1·λ1＋n2·λ2＋n3·λ3……nN·λN.（λ≥0）

顯然，元器件數量越多越不可靠。

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。

若元器件數量減到1800個(gè)，則R=0.9991800=0.19。說(shuō)明如能做到元器件減少64％，可靠度將增加19倍。

因而應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(wàn)只半導體三極管和二極管等器件，從而極大地提高了可靠性。

還應注意到選用高可靠性的元器件類(lèi)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(lèi)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，選用應慎之又慎。

可以說(shuō)，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，系統就越可靠。

例如：某公司1000VA高品質(zhì)交流參數穩壓電源，使用于GM環(huán)境條件（移動(dòng)，車(chē)載，通風(fēng)不理想，不便維修）。也能保證MTBF≥20萬(wàn)h。主要原因就是電路簡(jiǎn)單，元器件數量少。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(wú)故障工作時(shí)間

MTBF=1/λΣP=（1/3832）×109/h

=26×104h=26萬(wàn)h

≥20萬(wàn)h。

年可靠度：P=1/eλΣP·8760=0.967=96.7％

故障率：F=1－P=3.3％

公司長(cháng)期生產(chǎn)實(shí)踐的統計數字也證明，該類(lèi)電源的MTBF≥20萬(wàn)h。

當然，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的早期失效率

元器件、設備、系統的失效率在整個(gè)使用壽命中并非是恒定不變的常數，通常存在著(zhù)如圖4所示的“浴盆曲線(xiàn)”。

（1）早期通常早期失效率會(huì )比穩定期的失效率高得多。造成失效的原因是元器件制造過(guò)程中的缺陷和裝機的差錯或不完善的連接點(diǎn)或元器件出廠(chǎng)時(shí)漏檢的不合格產(chǎn)品混入所致。因而一定要先使設備運行一個(gè)時(shí)期，進(jìn)行老化，使早期失效問(wèn)題暴露在生產(chǎn)廠(chǎng)老化期間。給用戶(hù)提供的是已進(jìn)入穩定期的可靠產(chǎn)品。

圖4失效率與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

老化的時(shí)間，日本的民用產(chǎn)品（如電視機）一般不小于8h。而美國宇宙飛船規定每個(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，對可靠性要求較高的設備老化時(shí)間確定在20～50h較為合適。

（2）穩定期此時(shí)失效率λ近于常數，用作正常使用期。也可根據失效率λ來(lái)預算設備的其他可靠性指標。通常，在較好的使用環(huán)境中，如果一旦出現故障能得到及時(shí)和正確的維修，則電子系統的穩定期應不短于6～8年。

（3）磨損期設備使用的壽命末期，由于元器件的材料老化變質(zhì)，或設備的氧化腐蝕、機械磨損、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。磨損期出現的具體時(shí)間，受各種因素影響，很不一致。設計合理，元器件質(zhì)量選擇較嚴，環(huán)境條件不太惡劣的設備磨損期出現的時(shí)間會(huì )晚得多。

4結論

保證設備的可靠性是一個(gè)復雜的涉及廣泛知識領(lǐng)域的系統工程。只有給予充分的重視和認真采取各種技術(shù)措施，才會(huì )有滿(mǎn)意的成果。其基本點(diǎn)為：

（1）高可靠度的復雜系統，一定要采用并聯(lián)系統

的可靠性模型。系統內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(cháng)期工作的可靠性。

（2）任何電子系統都不可能100％地可靠。設計

中應盡量采用便于離機維修的模塊式結構，并預先保留必要數量（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)濟的方法。

（4）簡(jiǎn)化電路，減少元器件的數量，減輕元器件的

負荷率，選用高可靠的元器件是保證系統高可靠的基礎。

（5）重視設備老化工作，減少系統早期失效率。

相信，通過(guò)精心設計，認真生產(chǎn)，嚴格質(zhì)檢，及時(shí)維修，完全可以使電子系統（含電源設備）達到十分接近于100％的可靠度。滿(mǎn)足國防，科研，工業(yè)等各方面的需求，并進(jìn)而走向世界。