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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(hù)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(chē)載、艦載、地面的軍用裝備，航空航天部門(mén)，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 |
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(chēng)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(mén)，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(chēng) | 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 |
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(lèi)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(chēng) | 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?xún)?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(lèi)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(chē)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(mén)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(lèi)型的交流電源高了許多倍（其它類(lèi)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(mǎn)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(chē)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％）。可見(jiàn)，兩者可靠度的差別還是很明顯的，故障率降低了3倍多。混合系統(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(lèi)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(lèi)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 | ||
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 |
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 |
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 |
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(mén)（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(lèi)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(mǎn)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 |
（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(chēng)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 |
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(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(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(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(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(lèi)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(hù)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(mǎn)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(mǎn)足國(guó)防，科研，工業(yè)等各方面的需求，并進(jìn)而走向世界。
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