電源設(shè)備可靠性的研討

電源設(shè)備可靠性的研討

本文所研討的可靠性問(wèn)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(zhǎng)期、穩(wěn)定地保持正常工作能力尤為重要。美國(guó)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(zhǎng)期的過(guò)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(guò)低（含短期脈動(dòng)）（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(chǎng)地供電標(biāo)準(zhǔn)，責(zé)成用戶予以保證。

近年來(lái)，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(lái)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(hào)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(jiǎn)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(guó)電氣工程師學(xué)會(huì)發(fā)表的論文就指出：在提供軍事通信的英國(guó)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(guó)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(tái)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(lái)描述可靠性，常用“概率”來(lái)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(duì)N個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，每經(jīng)過(guò)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）?？梢?jiàn)，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(shí)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(duì)于可靠性的決定性的作用。據(jù)美國(guó)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)

故障原因	占總失效數(shù)的（％）
設(shè)計(jì)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

在民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域，日本的統(tǒng)計(jì)資料表明，可靠性問(wèn)題80％源于設(shè)計(jì)方面。（日本把元器件的選型，質(zhì)量級(jí)別的確定，元器件的負(fù)荷率等部分也歸入設(shè)計(jì)上的原因）。總之，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，需明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念，把系統(tǒng)的可靠性引為重要的技術(shù)指標(biāo)，認(rèn)真重視可靠性的設(shè)計(jì)工作，并采取足夠的提高可靠性的措施，才能使系統(tǒng)和產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)。

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(duì)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(guò)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(kāi)始時(shí)的正常工作的樣品數(shù)為ns個(gè)，而經(jīng)過(guò)（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(duì)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(guó)際上常用[1/109h]稱為[fit]，作為λ的量綱。

例如，美國(guó)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(guó)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(wú)故障工作時(shí)間MTBF

MTBF的定義為：電子系統(tǒng)無(wú)故障工作時(shí)間的平均值。

對(duì)于一批（N臺(tái)）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(wú)故障工作時(shí)間[h]；

N—電子系統(tǒng)的數(shù)量。

工程上，如一臺(tái)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)

電子系統(tǒng)名稱	MTBF/(h)
1978年集成彩色電視接收機(jī)（國(guó)際水平）	≥2000
阿波羅宇宙飛船電子計(jì)算機(jī)	(2～2.5)×104
英國(guó)天網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)	1000
美國(guó)“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

還是以上述美國(guó)GE公司97F8000系列用于交流電源的金屬化薄膜電容器為例：

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

MTBF=100T/n=120×104h。

在此，必須明確不論是失效率λ，還是平均無(wú)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(duì)于上述電容器每只可以工作120萬(wàn)h以后才會(huì)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(guò)程中，每次修復(fù)時(shí)間的平均值。即：

表2美國(guó)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(guó)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(guó)際通信衛(wèi)星Ⅲ號(hào)	地面站	99.7
	天線	93.5
	電源	94.2
國(guó)際通信衛(wèi)星Ⅳ號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器電子設(shè)備	連續(xù)工作2個(gè)月時(shí)	99.9
	連續(xù)工作7年后	79.0
	供電系統(tǒng)國(guó)際水平	99.95

MTTR=ti/M[h]

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(wú)論如何可靠，永遠(yuǎn)存在著維修的問(wèn)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。

2?4有效度（可用度）A

A的定義為：電子系統(tǒng)使用過(guò)程中（尤其在不間斷連續(xù)使用條件下）可以正常使用的時(shí)間和總時(shí)間的比例（通常以百分比來(lái)表示）。即：

A=MTBF/（MTBF＋MTTR）

A值越接近于100％，表示電子系統(tǒng)有效工作的程度越高。

實(shí)際上，設(shè)備MTBF受到系統(tǒng)復(fù)雜程度，成本等多方面因素的限制，不易達(dá)到很高的數(shù)值。盡量縮短MTTR也同樣可以達(dá)到增加A的目的。對(duì)于高失效率單元，采用快速由備份單元代替失效單元的冗余式設(shè)計(jì)，可以在MTBF不很高的情況，使MTTR接近于0，這樣，也可以使A近于100％。

2?5可靠度R（t）

可靠度R（t）是衡量電子系統(tǒng)可靠性的最基本的指標(biāo)?？蓮目煽慷萊（t）的定義中導(dǎo)出故障概率F（t）。即：

F（t）=1－R（t），或R（t）=1－F（t）。

可以看出，對(duì)于R（t）和F（t）來(lái)講，其值均為時(shí)間量t的函數(shù)。極端來(lái)講，t=0時(shí)，任何系統(tǒng)的R（t）=1，〔F（t）=0〕。在t=∞時(shí)，任何系統(tǒng)的R（t）=0，〔F（t）=1〕。R（t）和F（t）只有在指定的時(shí)間范圍以內(nèi)才有具體的意義。在實(shí)際使用中常用年可靠度P來(lái)表示。

年可靠度P的定義為：電子系統(tǒng)在規(guī)定的環(huán)境條件下，在1年的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。例如P=0.9，就說(shuō)明系統(tǒng)在一年內(nèi)有90％的可能不出現(xiàn)故障。（也即有10％的可能會(huì)出現(xiàn)故障）。如果在一個(gè)地點(diǎn)有10臺(tái)同類設(shè)備，則平均1年會(huì)有1臺(tái)設(shè)備可能需要進(jìn)行維修。

國(guó)際通信衛(wèi)星系統(tǒng)有關(guān)可靠度R（t）的參考數(shù)據(jù)如表4所列。

2.6失效率λ，平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF和可靠度R（t），故障概率F（t）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系

依據(jù)λ，MTBF，R（t），F(xiàn)（t）的定義和基本數(shù)學(xué)表達(dá)式，經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算以后，可得出以下的相互數(shù)學(xué)關(guān)系（運(yùn)算過(guò)程從略）。

（1）MTBF=1/λ或λ=1/MTBF，

即λ和MTBF互為倒數(shù)關(guān)系。

（2）R（t）=e－λt或R（t）=e－t/MTBF=1/et/MTBF，

即R（t）和λ之間為指數(shù)關(guān)系。

（3）F（t）=1－R（t）或R（t）=1－F（t），

這樣，λ，MTBF，R（t）三個(gè)指標(biāo)，可以通過(guò)上述換算，從一個(gè)量算出另兩個(gè)量的對(duì)應(yīng)數(shù)值。在不同的場(chǎng)合，以上三個(gè)指標(biāo)都可能在衡量電子系統(tǒng)可靠性時(shí)交替使用。

3提高系統(tǒng)可靠性的途徑

3?1認(rèn)真從事系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)

電子系統(tǒng)的可靠性模型，大體上有以下三種形式：

（1）串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型

串聯(lián)系統(tǒng)模型如圖1所示。串聯(lián)系統(tǒng)是指它的每一個(gè)元件對(duì)于系統(tǒng)的正常工作都是必須的，不可或缺的；任何一個(gè)元件的失效，將導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常。這是一種較常見(jiàn)和簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。

如果系統(tǒng)有N種元件，每種元件的失效率為λi(i=1～N)，則串聯(lián)系統(tǒng)的總失效率：

λ?=n1λ1＋n2λ2＋……nNλN

總的無(wú)故障工作時(shí)間：

MTBF?=1/λ?=1/[n1λ1＋n2λ2＋……nNλN]

年可靠度：P=1/e8760·λ?=1/e8760/MTBFN。(因每年共8760h)。

例（1）：優(yōu)質(zhì)的交流參數(shù)穩(wěn)壓電源單元的MTBF0=20萬(wàn)h，如果每臺(tái)鐵路信號(hào)屏用10只電源單元。則每屏交流電源部分的MTBF=MTBF0/10=2萬(wàn)h。相當(dāng)于年可靠度P=0.645=64.5％。即年故障概率F=1－P=35.5％。也就是每臺(tái)電源屏每年有35.5％的可能性需要維修。如果一個(gè)車站有10臺(tái)信號(hào)屏，則每年有3～4臺(tái)交流參數(shù)穩(wěn)壓電源單元有可能出故障，就是很正常的情況。這也和某部門有100臺(tái)電源單元，大都連續(xù)工作的故障概率相仿。

圖1串聯(lián)系統(tǒng)模型

可見(jiàn)，雖然每單元交流參數(shù)穩(wěn)壓電源MTBF0=20萬(wàn)h，已經(jīng)比其他類型的交流電源高了許多倍（其它類型電源MTBF往往只有數(shù)千h）。但處于連續(xù)工作條件下的串聯(lián)系統(tǒng)模型的信號(hào)屏的可靠度并不十分令人滿意。

（2）并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型

并聯(lián)系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中：U1，U2均可單獨(dú)地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，而且U1，U2任何一個(gè)單元出現(xiàn)故障，將自動(dòng)（或手動(dòng)）和輸入、輸出端斷開(kāi)，同時(shí)接入另一個(gè)互為備份的單元。

顯然，并聯(lián)系統(tǒng)的任何一個(gè)單元的失效，均不會(huì)影響系統(tǒng)的功能，只有在二個(gè)單元均失效時(shí)，系統(tǒng)才不能正常工作。同理也可以N個(gè)單元并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。

其數(shù)學(xué)關(guān)系為：

故障概率：F（t）=F1（t）·F2（t）…FN（t）

若F1（t）=F2（t）…=FN（t）則可靠度：

R（t）=1－F（t）=1－[F1（t）]n

例（2）：優(yōu)質(zhì)的交流參數(shù)穩(wěn)壓電源單元的MTBF0=20萬(wàn)h，每臺(tái)鐵路信號(hào)屏用10只電源單元。若每個(gè)電源單元有2臺(tái)互為備份的電源構(gòu)成并聯(lián)系統(tǒng)。則每臺(tái)電源的年可靠度：

P1=1/e8760/MTBF，P1=0.957

年故障概率F1=1－P1=0.043

所以，每個(gè)電源單元（2臺(tái)互為備份的電源構(gòu)成）的年故障率為：

F11=[F1]2=1.85×·10－3

每個(gè)電源單元的年可靠度：

P11=1－F11=1－[1－P1]2

=1－1.85×10－3=0.998=99.8％

每臺(tái)鐵路信號(hào)屏有10只電源單元，則每臺(tái)信號(hào)屏的年可靠度：

P=（P11）10

=（0.998）10=0.98=98％，

即年故障概率F=1－P，為2％。

若一個(gè)車站有10臺(tái)信號(hào)屏，則每年只有2％的可能性，會(huì)進(jìn)行一次維修。與例（1）串聯(lián)系統(tǒng)相比，故障概率降低了近18倍。

結(jié)論很明確，在每個(gè)單元的可靠性受各種限制不可能太高，而又要求系統(tǒng)具有很高的可靠度的情況下，采用并聯(lián)系統(tǒng)代替串聯(lián)系統(tǒng)是提高電子系統(tǒng)可靠性的根本方法。美國(guó)波音707飛機(jī)的發(fā)電機(jī)采用4臺(tái)并聯(lián)系統(tǒng)（用1備3），核電站的直流供電采用三臺(tái)并聯(lián)系統(tǒng)（用1備2），都是很好的例子。

并聯(lián)系統(tǒng)的成本將高于串聯(lián)系統(tǒng)，但為了保證必要的可靠性，花些代價(jià)是必須的也是值得的。

（3）混合系統(tǒng)可靠性模型

實(shí)際工程中，為了在成本和可靠性方面求得平衡，常常使用串聯(lián)和并聯(lián)混合系統(tǒng)。也就是對(duì)可靠度較低的單元采用并聯(lián)系統(tǒng)，可靠度高的單元保持串聯(lián)系統(tǒng)。模型如圖3所示。

混合系統(tǒng)的可靠度：

R（t）=R1（t）·R2（t）·R3－2（t）·R4（t）

如果R1=R2=R4=0.99，R3=0.9

則R3－2=1－[1－R3]2，R3－2=0.99

R=R1·R2·R3－2·R4

=0.96=96％。（F=4％）。

假使，U3不用并聯(lián)系統(tǒng)，則R=0.87=87％，（F=13％）?？梢?jiàn)，兩者可靠度的差別還是很明顯的，故障率降低了3倍多?；旌舷到y(tǒng)比串聯(lián)系統(tǒng)可靠性高，比并聯(lián)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

3.2改善電子系統(tǒng)的使用環(huán)境降低元器件的環(huán)境溫度

電子系統(tǒng)的可靠性和使用環(huán)境如何有著極為密切的關(guān)系。元器件的失效率在不同的使用環(huán)境中和其基本失效率差別很大，通常應(yīng)以環(huán)境系數(shù)進(jìn)行修正。美國(guó)于上世紀(jì)70年代公布了不同元器件的環(huán)境系數(shù)數(shù)值。原有9種環(huán)境條件，現(xiàn)只列出較常用和有代表性的4種如下：

圖2并聯(lián)系統(tǒng)模型

圖3混合系統(tǒng)模型

——GB：良好地面環(huán)境。環(huán)境引力接近于“0”，工程操作和維護(hù)良好。

——GF：地面固定式的使用環(huán)境。裝在永久性機(jī)架上，有足夠的通風(fēng)冷卻。由軍事人員維修，通常在不熱的建筑內(nèi)安裝。

——NS：艦船艙內(nèi)環(huán)境。水面艦船條件，類似于GF。但要受偶然劇烈的沖擊振動(dòng)。

——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

元器件類型		GB	GF	NS	GM
集成電路		0.2	1.0	4.0	4.0	說(shuō)明：λp=λb·πE式中： λp實(shí)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(kāi)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

從表5可以看出：使用環(huán)境對(duì)元器件的失效率影響極大，GM和GB相比失效率要高出4～10倍。環(huán)境條件的改善往往受使用場(chǎng)合的限制。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中比較容易做得到的就是重視和盡量加強(qiáng)通風(fēng)冷卻。

過(guò)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

環(huán)境溫度Ta[℃]	20	50	80
失效率λ[1/109h]	500	2500	15000

（2）電容器（以固體鉭電容器為例）

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

環(huán)境溫度Ta[℃]	20	50	80
失效率λ[1/109h]	5	25	70

（3）碳膜電阻器

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

環(huán)境溫度Ta[℃]	20	50	80
失效率λ[1/109h]	1	2	4

德國(guó)的研究報(bào)告指出，SK?2型彩色電視機(jī)，經(jīng)過(guò)合理地設(shè)計(jì)通風(fēng)冷卻條件，使機(jī)內(nèi)溫度降低了10℃左右，結(jié)果平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF增加2倍，顯著地改善了可靠性。美國(guó)“民兵”洲際導(dǎo)彈的電子系統(tǒng)把環(huán)境溫度嚴(yán)格限制于≤40℃。達(dá)到了明顯降低失效率的目的。

可見(jiàn)，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(wèn)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(lè)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(lái)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

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

由表9可知，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了1000倍以上。

（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

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

由表10可知，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了8倍。

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(guò)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(shuō)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(wàn)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(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(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(wàn)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(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(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(wàn)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(guò)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(wèn)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(lái)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(guò)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。