發布日期：2022-04-17 點擊率：62
【導讀】系統設計人員仍然面臨一個問題：在這些測試條件以外的條件下操作時，他們如何自信地預測電源單元（PSU）的平均壽命？各種各樣常見因素可能打破這些條件，如：熱、沖擊和振動、電源電壓的瞬態波動、電解電容的老化等都可能引起過早失效。因此，數據手冊的標準壽命額定值很少完全適用于真實世界的產品。本文的作者給出了解決方案。
數據手冊是元器件、 模塊或系統性能的全面的、 經測試和經驗證信息的完美信息庫。 在電源單元（PSU）的情況下， 數據手冊為工程師提供了大量的性能參數， 包括紋波和噪聲、 效率、 調節精度、 隔離電壓、 電磁排放量等。 所提供的信息的數量和詳細程度為用戶在任何給定應用中實現預期性能提供了極大的信心。
但另一個重要的性能參數 – 電源可靠性又如何呢？事實上，當今的知名制造商提供的電源單元（PSU）具有極長的壽命。其壽命在由可靠性標準（如MIL-HDBK-217或Telcordia）規定的測試條件下進行了精確預測。更重要的是，經驗表明，除了這些嚴格定義的參數之外，高質量的電源單元PSU也提供超長壽命。
但是，系統設計人員仍然面臨一個問題：在這些測試條件以外的條件下操作時，他們如何自信地預測電源單元（PSU）的平均壽命？各種各樣常見因素可能打破這些條件，如：熱、沖擊和振動、電源電壓的瞬態波動、電解電容的老化等都可能引起過早失效。因此，數據手冊的標準壽命額定值很少完全適用于真實世界的產品。
同時，無法控制最終產品的可靠性是難以接受的。品牌的聲譽是一筆寶貴的財富。處置和維修的環境和費用成本也是一種浪費。
那么，系統設計工程師怎樣才能自信地預估商用現貨（COTS）電源單元的可靠性？而且，最大限度地提高信心水平的最有效的方法是什么？
制造商的可靠性數據的限制
最常用的表征一個新的COTS PSU的壽命的值是故障前平均時間（MTTF）或平均故障間隔時間（MTBF）值。故障前平均時間（MTTF）在恒定工作（環境）溫度下通常為數千小時。
當然，故障前平均時間（MTTF）并沒有給出從大量單元中隨機抽取的任何單個單元的失效時間：MTTF是一個平均值。有的單元的壽命比額定MTTF值更長，有的則會更早失效。事實上，假定一個恒定的故障率在電子設備的操作條件下是不切實際的假設，單個單元的壽命能夠持續到MTTF值的概率只有37％。換句話說，故障前平均時間（MTTF）經過69%后，半數的單元將失效，如圖1所示。
這是因為，具有恒定故障率的故障由一個指數因子表征，如以下等式所示，用于計算元器件在給定時間后沒有發生故障的可能性：R（t） = e-λt
其中：
λ = 元器件的平均故障率
PSU制造商采用基于高度加速測試的模型以預測其產品的故障率。他們不能在正常操作條件下運行PSU的測試，并等待觀察故障，因為需要許多年的時間來收集統計顯著性數據。因此，他們將其產品暴露于過高的溫度、振動、電流和電壓應力下，以便使它們迅速失效。
顯然，需要一種合理的方法將加速測試的結果轉換成數據手冊中的MTTF值；有信譽的PSU制造商應認真核實并完善自己的方法，以確保其能反映用戶的真實世界體驗。
因此，到目前為止，我們也許可以信任由值得信賴的制造商指定的數據手冊中的MTTF值。但由于它僅適用于很窄的工作條件，當在一系列競爭產品中進行選擇時，最好僅將它作為一個比較工具。換句話說，MTTF適用于指示在類似條件下經過測試的不同PSU的相對壽命。
但是，任何給定應用中的MTTF真實值高度依賴于該應用的操作條件。溫度對壽命的影響最大，但壽命也受輸入和輸出電流和電壓的絕對水平、這些參數的變化率、機械應力以及其他因素的影響。
因此，盡管MTTF值是基于一系列的“典型”和恒定操作條件而計算的，但許多用戶的應用將在以下條件下運行：
充滿變化
與“典型”值不同
即使應用具有恒定的條件，這些條件也幾乎不可能與數據手冊的典型應用條件相同。
因此，當在任何給定的真實世界應用中估計故障率的時候，數據手冊中的故障率和可靠性信息僅能提供有限的效用。電源系統設計人員必須設計適應其終端產品的最大可接受的故障率。不管該目標故障率是幾乎為零（在任務關鍵型應用中）還是每10，000小時一次故障（在低成本消費產品的情況下），設計人員都必須具有高度信心，使現場的實際故障率至少達到最低目標。
如上所述，數據表中的MTTF不能提供如此高的信心水平，除非在規定的恒定操作條件下。那么，電源系統設計人員怎樣才能更自信地預測真實世界的故障率？答案是，部分是藝術，部分是科學。
科學是指有信譽的PSU供應商提供的附加數據集。例如，村田電源、Vicor和CUI等制造商都提供現場數據：聲明返廠進行維修或更換的PSU故障率觀察值。該聲明基于對每個失效單元的檢查，并提供故障原因分析。
該聲明可以幫助PSU的特定型號的潛在用戶：
通過審查它與現場故障率觀察值之間的相關性來驗證 MTTF的計算，如圖2所示
確定可能引起大多數故障的特定操作條件、應力或元器件
圖2：PSU的壽命有三個階段：“早期故障率”在第一階段很高，持續時間約24小時。裝運前預燒可避免這些“早期故障率”故障
有信譽的制造商還提供了設計工程師可以學習的如何優化其PSU方案的詳細的應用筆記。例如，SL Power等供應商的應用筆記提供了有關熱和機械設計的有用指導，并體現了其設計優化過程的細節深度。遵循制造商的指南將有助于最大限度延長PSU的使用壽命。
第二個附加數據點可以根據請求提供給用戶，例如，Vicor電源：專為用戶應用的典型操作條件而定制的應用專用的MTTF額定值。即使考慮到加速測試方法所固有的不確定性，以及用戶自己的應用操作條件的不確定性，與基于典型工作條件的標準MTTF值相比，該定制MTTF值仍然提供了對用戶應用中的各種Vicor PSU的更可靠的平均故障率預估。
每個有信譽的PSU制造商可提供的第三個數據點是熱圖，它顯示了該電源單元的安全操作曲線，以及它如何受到應用中的改變（如增加一個冷卻氣流）的影響。
但是，即使加上這些數據，也無法保證可以在任何給定應用中絕對確定地計算平均故障率：變量的數量影響PSU的工作，制造商測試方法固有的不確定性也太大。事實上，隨機真實世界事件所固有的不確定性的性質已經對一些最偉大的科學家提出了挑戰：據說，Alan Turing這樣對同事描述過這個問題：
“在一個城鎮中，你如何通過看到的隨機車牌最好地估計整個城鎮的出租車數量？”
那么，科學只提供了部分答案；電源系統設計人員還必須運用工程師的藝術。經驗為設計人員提供了對于每個制造商的數據的可靠性直覺。通過檢查自己產品的現場故障，OEM設計人員可以建立實際故障率的圖像、故障的原因，并與他們僅基于制造商的數據所形成的期望做比較。看它們是否有密切的相關性，或實際上性能更好還是更差？以及與預期性能有多大差距？
工程師對這些問題的直覺有助于加強其通過測量和統計計算結果來預估故障率的信心。
有信心地預測
當數據手冊描述了PSU的可靠性或不可靠信息時，它具有明顯的數學確定性。但是，這些數據本身在任何給定應用中預測MTTF時僅提供了有限的信心。
但當設計工程師選擇的PSU來自一家已知的、有信譽的制造商，或者當他們對制造商的數據有自己的經驗，或受信任的第三方（如電源分銷商）的經驗時，他們可以對其壽命性能有更高的信心。總之，這些產品已經積累了多年的知識經驗，但令人驚訝的是，并非所有經驗的獲得都需要很高的代價。
換句話說，幫助工程師對PSU的使用壽命做出良好判斷的不是單純的藝術，也不是單純的科學，而是藝術與科學的結合。
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