如何提高電源系統(tǒng)的可靠性

來源：羅姆半導體社區(qū)

產(chǎn)品和/或系統(tǒng)可靠性應是設(shè)計和開發(fā)過程中的一個關(guān)鍵焦點。在設(shè)計時，如果沒有了解或無法解決識別可靠性問題和評估可靠性問題的能力。在開發(fā)結(jié)束時考慮可靠性的影響太遲了。

電源要可靠，必須簡單。以簡單為目標的設(shè)計工作將產(chǎn)生比復雜電源更可靠的電源。例如，基本的單輸出低功率轉(zhuǎn)換器比多輸出高功率轉(zhuǎn)換器具有更高的計算可靠性。雖然增加了保護電路，但會增加電源的實際使用壽命。

在開發(fā)的早期階段，電源電路應該細分為兩塊：關(guān)鍵應用和非關(guān)鍵應用。這將有助于設(shè)計師了解部件選擇和降額系數(shù)。

關(guān)鍵應用將包括故障將導致電源停止工作的區(qū)域。非關(guān)鍵區(qū)域是輔助應用。對于關(guān)鍵應用，零件必須是最高質(zhì)量的，同時盡量減少使用會隨著時間而惡化的部件，如電解電容器、風扇和繼電器。

執(zhí)行可靠性預測的兩個公認標準是MIL-HDBK-217和Bellcore/Telcordia技術(shù)參考TR-332。這兩種經(jīng)驗預測方法都有幾個共同的假設(shè)——恒定失效率、熱應力加速度系數(shù)的使用、質(zhì)量系數(shù)和使用條件。這兩種方法都是基于對歷史失效數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計曲線擬合的模型，這些數(shù)據(jù)可能是在現(xiàn)場、內(nèi)部或制造商收集的。

在通用標準中，可以根據(jù)不同的部件獲得適用于故障率的校正系數(shù)的最佳指示。這取決于使用條件、溫度、可靠性試驗信息和“設(shè)計可靠性”信息。

例如，根據(jù)MIL-HDBK-217F建立的功率MOSFET總失效率的數(shù)學模型是其基本失效率乘以特定的溫度、應用、質(zhì)量和環(huán)境因素。應該注意的是，可靠性是一個介于0和1之間的因素，沒有維度。然而，故障率是特別在電子工業(yè)中測量的。設(shè)備的適合性（時間故障）是指在10億（109）小時的運行中可以預期的故障數(shù)量?？紤]到功率MOSFET適用于250W電源（基本故障率為12fit），工作溫度接近100°C（熱系數(shù)為3.7），質(zhì)量因數(shù)JANTX（根據(jù)MIL-S-19500為8），環(huán)境因數(shù)GF（接地固定為1.6），總故障率為2.312次/106h。

考慮環(huán)境因素后，由于MTTF與失效率成反比，導致功率MOSFET的MTTF約為470000小時。然而，在不計算環(huán)境和熱因素的情況下，初始MTTF約為83000000小時。

為了提高MOSFET和電源的可靠性，設(shè)計者可以選擇增加器件的熱降額。通過顯著冷卻零件并將MOSFET的工作溫度設(shè)置為80°C而不是100°C，熱系數(shù)將從3.7降到2.7，使MTTF 643000小時提高36%。

在預先設(shè)定的操作和環(huán)境條件下，通過仔細分析電應力和熱應力因子以正確確定功率MOSFET的尺寸，才能降低故障率。這可以通過檢查降額計劃來實現(xiàn)，使用從HALT（高加速壽命試驗）試驗中收集的數(shù)據(jù)，可以計算出可靠性數(shù)據(jù)，具有很好的精確度。盡管要測試的樣本數(shù)量通常是有限的，但測試站的數(shù)量是固定的，運行測試的可用時間是有限的。這會影響設(shè)計師希望計算參數(shù)落下的“置信區(qū)間”。為了簡單起見，在兩種特殊情況下重現(xiàn)了“單邊低置信區(qū)間”的計算函數(shù)：“有替代中斷的試驗”和“無替代中斷的試驗”。第一種情況主要涉及在從現(xiàn)場返回的情況下真實MTTF的計算，盡管這種方法不令人滿意，因為制造商不知道這些裝置已經(jīng)運行了多久，也不知道運行條件。高加速應力篩選，也稱為HASS，同時應用所有應力。根據(jù)停機極限，HASS應力水平評估接近其工作極限的電源。

審核編輯黃昊宇