電源設備可靠性的研討

2?4有效度（可用度）A

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

A=MTBF/（MTBF＋MTTR）

A值越接近于100％，表示電子系統有效工作的程度越高。

實際上，設備MTBF受到系統復雜程度，成本等多方面因素的限制，不易達到很高的數值。盡量縮短MTTR也同樣可以達到增加A的目的。對于高失效率單元，采用快速由備份單元代替失效單元的冗余式設計，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）是衡量電子系統可靠性的最基本的指標?？蓮目煽慷萊（t）的定義中導出故障概率F（t）。即：

F（t）=1－R（t），或R（t）=1－F（t）。

可以看出，對于R（t）和F（t）來講，其值均為時間量t的函數。極端來講，t=0時，任何系統的R（t）=1，〔F（t）=0〕。在t=∞時，任何系統的R（t）=0，〔F（t）=1〕。R（t）和F（t）只有在指定的時間范圍以內才有具體的意義。在實際使用中常用年可靠度P來表示。

年可靠度P的定義為：電子系統在規定的環境條件下，在1年的時間內，完成規定功能的概率。例如P=0.9，就說明系統在一年內有90％的可能不出現故障。（也即有10％的可能會出現故障）。如果在一個地點有10臺同類設備，則平均1年會有1臺設備可能需要進行維修。

國際通信衛星系統有關可靠度R（t）的參考數據如表4所列。

2.6失效率λ，平均無故障工作時間MTBF和可靠度R（t），故障概率F（t）之間的數學關系

依據λ，MTBF，R（t），F（t）的定義和基本數學表達式，經數學運算以后，可得出以下的相互數學關系（運算過程從略）。

（1）MTBF=1/λ或λ=1/MTBF，

即λ和MTBF互為倒數關系。

（2）R（t）=e－λt或R（t）=e－t/MTBF=1/et/MTBF，

即R（t）和λ之間為指數關系。

（3）F（t）=1－R（t）或R（t）=1－F（t），

這樣，λ，MTBF，R（t）三個指標，可以通過上述換算，從一個量算出另兩個量的對應數值。在不同的場合，以上三個指標都可能在衡量電子系統可靠性時交替使用。

3提高系統可靠性的途徑

3?1認真從事系統可靠性的設計

電子系統的可靠性模型，大體上有以下三種形式：

（1）串聯系統的可靠性模型

串聯系統模型如圖1所示。串聯系統是指它的每一個元件對于系統的正常工作都是必須的，不可或缺的；任何一個元件的失效，將導致系統工作不正常。這是一種較常見和簡單的系統。

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

λ?=n1λ1＋n2λ2＋……nNλN

總的無故障工作時間：

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）：優質的交流參數穩壓電源單元的MTBF0=20萬h，如果每臺鐵路信號屏用10只電源單元。則每屏交流電源部分的MTBF=MTBF0/10=2萬h。相當于年可靠度P=0.645=64.5％。即年故障概率F=1－P=35.5％。也就是每臺電源屏每年有35.5％的可能性需要維修。如果一個車站有10臺信號屏，則每年有3～4臺交流參數穩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臺電源單元，大都連續工作的故障概率相仿。

圖1串聯系統模型

可見，雖然每單元交流參數穩壓電源MTBF0=20萬h，已經比其他類型的交流電源高了許多倍（其它類型電源MTBF往往只有數千h）。但處于連續工作條件下的串聯系統模型的信號屏的可靠度并不十分令人滿意。

（2）并聯系統的可靠性模型

并聯系統模型如圖2所示。圖中：U1，U2均可單獨地實現系統的功能，而且U1，U2任何一個單元出現故障，將自動（或手動）和輸入、輸出端斷開，同時接入另一個互為備份的單元。

顯然，并聯系統的任何一個單元的失效，均不會影響系統的功能，只有在二個單元均失效時，系統才不能正常工作。同理也可以N個單元并聯構成一個系統。

其數學關系為：

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）：優質的交流參數穩壓電源單元的MTBF0=20萬h，每臺鐵路信號屏用10只電源單元。若每個電源單元有2臺互為備份的電源構成并聯系統。則每臺電源的年可靠度：

P1=1/e8760/MTBF，P1=0.957

年故障概率F1=1－P1=0.043

所以，每個電源單元（2臺互為備份的電源構成）的年故障率為：

F11=[F1]2=1.85×·10－3

每個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％

每臺鐵路信號屏有10只電源單元，則每臺信號屏的年可靠度：

P=（P11）10

=（0.998）10=0.98=98％，

即年故障概率F=1－P，為2％。

若一個車站有10臺信號屏，則每年只有2％的可能性，會進行一次維修。與例（1）串聯系統相比，故障概率降低了近18倍。

結論很明確，在每個單元的可靠性受各種限制不可能太高，而又要求系統具有很高的可靠度的情況下，采用并聯系統代替串聯系統是提高電子系統可靠性的根本方法。美國波音707飛機的發電機采用4臺并聯系統（用1備3），核電站的直流供電采用三臺并聯系統（用1備2），都是很好的例子。

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

（3）混合系統可靠性模型

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

混合系統的可靠度：

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不用并聯系統，則R=0.87=87％，（F=13％）?？梢?，兩者可靠度的差別還是很明顯的，故障率降低了3倍多。混合系統比串聯系統可靠性高，比并聯系統簡單。

3.2改善電子系統的使用環境降低元器件的環境溫度

電子系統的可靠性和使用環境如何有著極為密切的關系。元器件的失效率在不同的使用環境中和其基本失效率差別很大，通常應以環境系數進行修正。美國于上世紀70年代公布了不同元器件的環境系數數值。原有9種環境條件，現只列出較常用和有代表性的4種如下：

圖2并聯系統模型

圖3混合系統模型

——GB：良好地面環境。環境引力接近于“0”，工程操作和維護良好。

——GF：地面固定式的使用環境。裝在永久性機架上，有足夠的通風冷卻。由軍事人員維修，通常在不熱的建筑內安裝。

——NS：艦船艙內環境。水面艦船條件，類似于GF。但要受偶然劇烈的沖擊振動。