電源設備可靠性的研討

——GM：地面移動式和便攜式的環境。劣于地面固定式的條件，主要是沖擊振動。通風冷卻可能受限制，只能進行簡易維修。

上述環境條件下的環境系數πE如表5所列：

表5環境系數πE

過高的環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），則環境溫度對可靠性的影響，如表6所列。

表6環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），則環境溫度對可靠性的影響如表7所列。

表7環境溫度對電容器可靠性的影響

以PD/PR=0.5設計，則環境溫度對可靠性的影響如表8所列。

表8環境溫度對碳膜電阻器可靠性的影響

可見，加強通風冷卻十分有益于電子系統的可靠性。國內有些部門（如鐵路）要求系統有很高的可靠性，又明令不許使用風扇進行強迫通風冷卻。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題。其實，現在優質的風扇可以保證50000～60000h的使用壽命（相當于連續運行6年以上）。更換風扇比其他部件的維修也省力省時得多。只要在系統設計條件中，規定風扇即使不工作，設備依然可以長期正常運行。那么，加強通風冷卻，絕對有利于可靠性，何樂而不為！

3?3減小元器件的負荷率是改善失效率的捷徑

元器件實際工作中的負荷率和失效率之間存在著直接的關系。因而，元器件的類型，數值確定以后，應從可靠性的角度來選擇元器件必須滿足的額定值。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，失效率可以減小32倍之多。

（3）碳膜電阻器

環境溫度Ta=50℃，美國于上世紀70年代實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。

實際使用中的經驗數據為：

——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，通常也應≤0.5。

3?4簡化電路，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。

假如每個元器件Ri=0.999，共有5000個元器件，則R=0.9995000=0.01，顯然極不可靠。

若元器件數量減到1800個，則R=0.9991800=0.19。說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型和品質檔次的重要意義。例如功能相似的電容器，云母介質的失效率就要比玻璃或陶瓷介質的低30倍左右。同類的元器件，不同品質檔次，如軍品和民品，上等質量和下等質量，在同樣的功能和條件下，失效率也會差3～10倍，選用應慎之又慎。

可以說，在保證相同功能和使用環境的條件下，越簡化的電路，越少的元器件，系統就越可靠。

例如：某公司1000VA高品質交流參數穩壓電源，使用于GM環境條件（移動，車載，通風不理想，不便維修）。也能保證MTBF≥20萬h。主要原因就是電路簡單，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20個

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環境條件，平均πE=4，

λΣP=λΣ·πE=3832×10－9/h。

平均無故障工作時間

MTBF=1/λΣP=（1/3832）×109/h

=26×104h=26萬h

≥20萬h。

年可靠度：P=1/eλΣP·8760=0.967=96.7％

故障率：F=1－P=3.3％

公司長期生產實踐的統計數字也證明，該類電源的MTBF≥20萬h。

當然，使用在其他環境條件，可靠性會更好。

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使用壽命中并非是恒定不變的常數，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程中的缺陷和裝機的差錯或不完善的連接點或元器件出廠時漏檢的不合格產品混入所致。因而一定要先使設備運行一個時期，進行老化，使早期失效問題暴露在生產廠老化期間。給用戶提供的是已進入穩定期的可靠產品。

圖4失效率與時間的關系曲線

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

（2）穩定期此時失效率λ近于常數，用作正常使用期。也可根據失效率λ來預算設備的其他可靠性指標。通常，在較好的使用環境中，如果一旦出現故障能得到及時和正確的維修，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，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，進入不可靠的使用期。磨損期出現的具體時間，受各種因素影響，很不一致。設計合理，元器件質量選擇較嚴，環境條件不太惡劣的設備磨損期出現的時間會晚得多。

4結論

保證設備的可靠性是一個復雜的涉及廣泛知識領域的系統工程。只有給予充分的重視和認真采取各種技術措施，才會有滿意的成果。其基本點為：

（1）高可靠度的復雜系統，一定要采用并聯系統

的可靠性模型。系統內保有足夠冗余度的備份單元，可以進行自動或手動切換。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間MTTR。使有效度A近于100％。

（3）加強通風冷卻，改善使用環境是成倍提高可

靠性的最簡便和最經濟的方法。

（4）簡化電路，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，通過精心設計，認真生產，嚴格質檢，及時維修，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。滿足國防，科研，工業等各方面的需求，并進而走向世界。