[设计]开关电源寿命评估.pdf
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1、開關電源壽命評估 第 1 节开关电源寿命评估 一电源的寿命的定义和期望寿命 众所周知,电子产品的故障如 Bath-tub Curve (图 1,) 所示,分为以下三种类型。 减少型(DFR ;Decreasing Failure Rate) 初期,带有缺陷的部分会发生故障,但随着时间的推移,剩下的都是稳定的部件,故障率亦会下降。 这段时间称为初期故障期。 一定型(CFR; Constant Failure Rate) 此时,机器运行稳定,故障率降至一定水平,发生的故障均为随机性事件,称为偶发性故障期。这段 时期的稳定度和平均故障时间(MTBF)呈指数式分布。 增加型 (IFR;Increasi
2、ng Failure Rate) 故障率逐渐上升。故障发生原因为磨损。多见于风扇电动机的球形轴承及继电器的驱动部位等处。这 种类型的故障具有集中某处发生的特征,一般从初期开始即呈正态分布。 因此,可以说寿命就是指机器故障率保持不变的稳定运行时期,也就是偶发故障期。 用户对电源的最低寿命的要求各不相同,一般最好考虑为710年。然而,机器的运行时间因机而异 所以应明确限定期望寿命,并检测设计是否符合寿命标准。 表 1 中列举了几种主要电器的最短寿命。 它们是在设定完全使用时间为 7 年的前提下,根据各种电器的运行状况推算出来的数据。 二 电 源装置 的寿命 评估 电源装 置因为 处理电 流的缘 故
3、,所 用部件 受到的 电应力 大,发 热量 高,机 器内部温度上升快,所以寿命评估工作尤显重要。机器的寿命基本上和使用部件的寿命挂钩。部件寿 用途 必要寿命 时间负荷 比 时间计算 printer 额定负 荷4.200H 1 最大额定负荷82H/天 最小额定负荷2H/天 使用天数300 天/ 年 最大额定负荷寿命H/天300天/ 年7 年12.600H 最小额定负荷寿命H/天300天/ 年7 年4.200H 最大额定负荷 12.60 H 1 PC 额定负荷1 使用8H/天 寿命8H/天300 天/ 年7 年16,800H PPC 额定负荷 556H 1 PCB个数500,000 个/ 寿命 最
4、小负荷时间500,000 个分/ 个( H/分) 556H 最大额定负荷(8H/天300天7 年)556H 16.244H 最小额定负荷 16.244H 0.05 0.2 FAX 额定负荷 5.500H 1 最小额定负荷2H/天365天/ 年7 年5.110H 最大额定负荷(24H/ 天365 天/ 年7年) 5.110H=56.210H 最小额定负荷0.1 命与热、电应力成函数关系,其中更以热应力为主。 从机器寿命设计的观点来看,如果将所有部件的寿命统一,则能达到理想的最优性价比,但部件的寿 命性能(影响部件寿命的电力、环境特征)相差巨大,因而难以实现。一般来说,尽可能降低短寿部 件的应力,
5、并极限化使用长寿部件,可以实现部件寿命的平均化。 电阻类、陶瓷电容器和薄膜电容器等半导体部件不接触强应力,寿命极长,因而可以说下面举出的部 件的寿命才真正决定了电源的寿命。 三决定寿命的主要部件 电解电容器 电解电容器的封口部位会漏出气化的电解液,这种现象会随着温度的升高而加速,一般认为温度每上 升 10,泄漏速度会提高至2 倍。因此可以说电解电容器决定了电源装置的寿命。 开关晶体管、高速功率二极管 此类部件在性能界限内使用时,基本上可以维持710年的寿命, 但电源通断(能量循环) 时产生的物 理应力、热应力会导致元件劣化,提前损坏。 风扇 球形轴承及轴承的润滑油枯竭、机械装置部件的磨损, 会
6、加速风扇的老化。 加之近年的 DC风扇的驱动 回路开始使用电解电容器等部件,所以有必要将回路部件寿命等因素也一并考虑进去。 光电耦合器 电流传达率( CTR ;Current Transfer Ratio )随着时间的推移会逐渐减少,结果发光二极管的电流不 断增大,有时会达到最大限制电流,致使系统失控。 开关 多数开关电源设有电容器输入型的整流回路,在通入电源时,会产生浪涌电流,导致开关接点疲劳, 引发接触电阻增大及吸附等问题。理论上认为, 在电源期望寿命期间, 开关的通断次数约有5,000 回 冲击电流保护电阻、热敏功率电阻器 为抵抗电源通入时产生的冲击电流,设计者将电阻与SCR 等元件并联
7、起来使用。电源通入时的电力峰 值高达额定数值的数十倍至数百倍,结果导致电阻热疲劳,引起断路。处在相同情况下的热敏功率电 阻器也会发生热疲劳现象。 四寿命测试 .1 寿命测试的意义 为保证装置的寿命,可以从构成装置的部件及材料的寿命来推算装置总体的寿命,从而代替了对装置 本身的寿命测试,然而,推测毕竟只是推测,要想真正保障寿命,就必须切实搞好测试工作。另一方 面,电源机器是整个装置的心脏部位,与其他部分相比,要求有更高的稳定性。通过统计来确定产品 的耐用寿命,本是很普通的工作,但在这里,测试所耗费的样品、时间和费用等成本颇为可观。要解 决这个难题,可以考虑采用以下三种方法: 依据储存数据和过去的
8、实际经验,挑出短寿部件, 对其进行专门的寿命测试, 从而推算出整个电源 装置的寿命。 严格限制故障标准,从严判定故障。 提高测试时的应力值, 或者增加重复电源通断的次数。在易出故障的条件下, 缩短检测时间, 从严 判定故障。 第条要求操作者充分把握部件的使用状态,因为万一个别部件所受的应力超过预计,则有可能导致 判断失误。需要注意的是:设计电源装置时必须考虑到所有部分的耐用寿命和稳定性,所以这种寿命 测试不仅可以推算出机器的耐用寿命,更可以有效排除制造商方面的设计失误及漏洞。电源机器的设 计也要考虑到用户的使用条件,但是因为用户未必都能充分把握有关规格要求,所以测试包括电源装 置在内的机器总体
9、的寿命是很有效的手段。这种做法也有利于用户方面对制造商进行比较,增强厂家 竞争力。 4.2 故障类型与故障构成 有关寿命的故障类型是指部件故障的外在表现,例如电源装置中出现的输出值下降,输出电压异常上 升等问题。这些类型是部件的故障类型中的短路、开路和特性值改变引起的表现。 故障构成在这里是指引发个别部件的故障的理论模型,也就是说从材料化学、原子分子的层面上看, 部件发生故障的原因是什么。关于故障构成的知识将会在下文中就不同部件详细说明。 要想研究寿命测试的方法, 必须先将故障类型与故障构成的相互关系理清。图 2 标明了二者间的关系 .3 加速寿命测试 寿命测试需要大量样品和很多时间,故而一般
10、采用加速寿命测试法。 .3.1 加速要求 寿命加速的允许范围是指能够保证随着应力的增强,故障结构不变,而特性值变化的形式、故障时间 的分布、平均寿命和故障率等发生规则变化的条件。应力如果过强,则会导致其它的劣化现象,所以 应留意应力值的设定。 .3.2 劣化反应与加速系数 部件及材料的特性值会随着基本物质的扩散、氧化和再结晶等反应而发生劣化。 设特性值为 ,反应速度为 K,K与 的关系如下: f()/dt=K (1) 因此, f( )=Kt (2) 假设特性值 达到故障标准 a 时,寿命 L 就将结束。 则由( 2)可得 f(a)=K L 寿命的加速系数AL为 AL= LN/L = /KN (
11、3) LN 、KN各为基准值 另,根据阿列里乌斯推论,加速系数为 AL2 /T (4) 但, T = T TN T=T TN r=(TTN LN2 )/B :相应的活性化能源除以玻耳兹曼常数所得的特殊常数。 (注:玻耳兹曼常数为1.370910-10 尔格/绝对温度。) N :标准温度。 一般电器的 r 值基本上为 10左右,所以( 4)式被称为 102 倍定律,但这种关系式并非总是能 够成立。电子部件在接近常温时,每上升 10,寿命约减少至2/3 1/2 。 .3.3 故障构成与寿命测试 寿命测试的内容依据故障构成来设定。如图3 所示,由 5 种测试组成。 .3.4 高温断续测试的要求 诸如
12、继电器、开关和电扇等机械性部件, 以及功率晶体管, 功率二极管等部件的升温现象很严重 因而有必要进行高温断续测试。通过切断和通入输入电源,使元件反复进行升温和冷却的周期循环, 从而测得元件对热疲劳的耐力。实际操作时需要重复循环 5 ,00010,000 次。 环境温度: 5080 断续循环: 5,000 10,000 次 检测项目:逐次检测元件的一般性能. 本测试亦可与高温连续测试组合使用。 .3.5 高温连续寿命测试的要求 环境温度: 5080 连续通电时间: 1,000 3,000 小时 检测项目:一般性能(输入电压变化、输出电流变化、脉动电压和输出电压偏差) 不同的机器所要求的环境温度及
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