如何提高電源系統(tǒng)設(shè)計的可靠性

雖然乍一看電源可能不如微處理器或DSP那么迷人，但它們是電子系統(tǒng)的必要組成部分，因為任何電源故障都會導(dǎo)致系統(tǒng)停止運行。其糟糕的性能會影響給定產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，系統(tǒng)設(shè)計人員非常關(guān)注直接供電故障和性能不佳。換句話說，任何系統(tǒng)中電源的可靠性都至關(guān)重要。

要選擇或構(gòu)建可靠的電源，需要充分了解影響產(chǎn)品可靠性的因素和壓力。本文將探討可靠性的含義以及可靠性和故障率之間的關(guān)鍵差異，如CUI題為“電源可靠性考慮因素”的白皮書中所述。1它還將討論像CUI這樣的制造商如何通過提高可靠性來提高可靠性設(shè)計，元件選擇和制造過程。一些例子將說明供應(yīng)商如何在公司制造的AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊中整合和指定這些實踐。

可靠性和故障

在研究提高電源可靠性的過程之前供應(yīng)，首先要了解其定義以及可靠性和故障率之間的區(qū)別。根據(jù)CUI的白皮書，可靠性是指在特定條件下運行的供應(yīng)在給定時間段內(nèi)正常工作的概率。失敗率是在給定時間單位內(nèi)失敗的單位的百分比。如圖1所示，它遵循“浴缸”曲線，并由工程師分為三個關(guān)鍵階段，包括嬰兒死亡率，使用壽命和磨損。雖然嬰兒死亡率是由于工藝差和質(zhì)量差的部件造成的，但第二階段是使用壽命，它使故障率保持在低水平并保持恒定，以使供應(yīng)保持較長時間的正常運行。在磨損階段，即第三階段也是最后階段，當(dāng)其部件達(dá)到其使用壽命時，供應(yīng)失敗。

圖1：如圖所示，故障率歸類于三個關(guān)鍵階段：嬰兒死亡率，使用壽命和磨損（由CUI提供）。雖然可以肯定地預(yù)測特定轉(zhuǎn)換器將在期望的規(guī)格內(nèi)運行多長時間或在多少小時后運行失敗是有爭議的，CUI建議使用概率技術(shù)確定供應(yīng)的預(yù)期壽命或失敗。根據(jù)白皮書，供應(yīng)的可靠性取決于許多因素。其中的關(guān)鍵是聲音設(shè)計，具有足夠的利潤，組件質(zhì)量，散熱考慮，老化和制造過程。該公司使用以下公式計算組件的可靠性：

從本質(zhì)上講，組件的選擇對于電源的整體可靠性至關(guān)重要。因此，建議必須使用固有可靠的組件來顯著降低故障風(fēng)險。例如，根據(jù)CUI的經(jīng)驗，電容器是電源中的常見故障點，因此使用壽命更長的電容器有助于提高產(chǎn)品的可靠性。然而，它確實增加了總體成本，因為質(zhì)量組件成本更高。同樣，磁性元件（變壓器和電感器）也需要特別注意。

另一個可以提高可靠性的因素是使用低于額定規(guī)格的元件。例如，當(dāng)在55°C下使用時，額定在85°C下可靠運行的組件將具有顯著改進(jìn)的性能。通常情況下，溫度每降低10°C，組件的壽命就會翻倍（圖2）。

圖2：溫度對組件預(yù)計壽命的影響（由CUI提供）。 br》此外，CUI建議三種方法來確定故障率。這些包括預(yù)測，評估和觀察。在參考白皮書中更詳細(xì)地討論了每種方法。預(yù)測采用以下標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫之一的組件故障率和預(yù)期壽命。這些是MIL-HDBK-217（美國海軍），HRD5（英國電信）和Telcordia（以前是Bellcore）。由于MIL-HDBK-217專注于軍事和商業(yè)應(yīng)用，并產(chǎn)生MTBF數(shù)據(jù)，因此CUI更喜歡用它來計算其AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊的MTBF。有趣的是，電源制造商更喜歡提供故障率的倒數(shù)，即平均故障間隔時間（MTBF）和平均故障時間（MTTF）。因此，根據(jù)全球營銷副總裁杰夫施納貝爾（Jeff Schnabel）的說法，MTBF和MTTF基本上是相同的衡量標(biāo)準(zhǔn)，因為它們都是故障率的倒數(shù)。然而，Schnabel補充道，“MTBF通常用于修復(fù)然后恢復(fù)使用的設(shè)備?！薄氨M管有普遍的假設(shè)，”Schnabel繼續(xù)說道，“它不能保證最短的故障間隔時間，只是平均值?！睂τ贑UI營銷主管而言，MTBF是行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)衡量標(biāo)準(zhǔn)。

雖然了解MTBF在一定溫度范圍內(nèi)的表現(xiàn)是有幫助的，但電源制造商更愿意在25°C的溫度下進(jìn)行指定。根據(jù)Schnabel的說法，“CUI通常在設(shè)計和測試過程中不僅僅在室溫下評估MTBF，并且可以根據(jù)要求分享這些信息。”一個典型的和/或好的MTBF取決于應(yīng)用，Schnabel指出。通用AC/DC墻式適配器通?？梢员辉u定為大約100，000+小時，而用于電信應(yīng)用的DC/DC將在百萬多小時范圍內(nèi)。 “部分原因是墻壁適配器很容易更換，而焊接在主板上的DC/DC轉(zhuǎn)換器不能輕易更換，這樣做可能非常昂貴，”Schnabel斷言。此外，一些產(chǎn)品，如醫(yī)療設(shè)備，由于患者的健康和安全而需要更高的MTBF，而不是成本和易于更換，Schnabel說。例如，讓我們來看看CUI的365 W AC/DC系列VMS- 365。數(shù)據(jù)表規(guī)定在25°C環(huán)境溫度下使用400 LFM強制通風(fēng)，MIL-HDBK-217E-1和75％額定滿載時的MTBF為300，000小時（典型值）。同樣，160 W AC/DC系列VMS-160的數(shù)據(jù)表顯示在類似條件下最小MTBF為200，000小時。

如上所述，CUI的DC/DC轉(zhuǎn)換器額定值要高得多。例如，根據(jù)MIL-HDBK-217F方法，1 W DC/DC PDS1-M系列在25°C時的最低額定值為350萬小時;而高達(dá)20W的系列PYB20在25°C時每MIL-HDBK-217F提供至少100萬小時。

三種應(yīng)力

此外，本文突出了三種應(yīng)力在電源的生命中起著至關(guān)重要的作用：熱，機(jī)械和電氣。 CUI解釋說，良好而堅固的設(shè)計考慮了這些應(yīng)力中的每一個，并采用適當(dāng)?shù)牟襟E來最小化它們的發(fā)生和影響。雖然熱應(yīng)力是最具挑戰(zhàn)性和最有害的，因為它以多種不同的方式出現(xiàn)，但機(jī)械應(yīng)力的影響取決于供應(yīng)在終端設(shè)備中的安裝和使用方式和位置。同樣，當(dāng)元件超出其額定規(guī)格運行時，電氣應(yīng)力就會出現(xiàn)。例如，電容器的額定電壓可能為100 VDC，但在工作期間電路中會出現(xiàn)150 VDC的尖峰電壓，并且由于電路瞬態(tài)或外部ESD，指定處理高達(dá)1A電流的電阻會經(jīng)歷更高電流的脈沖事件。結(jié)果是在許多情況下過早老化和早期失效。

因此，白皮書強調(diào)了一種考慮到負(fù)載和線路瞬態(tài)以及噪聲影響的穩(wěn)健設(shè)計。這意味著優(yōu)秀的設(shè)計師謹(jǐn)慎地建立組件參數(shù)所需的最小/最大值，以確保可靠的操作。此外，CUI還建議使用像Spice這樣的仿真程序，使用組件和印刷電路板以及互連的真實模型來驗證電源電路的靜態(tài)和動態(tài)性能。最后，公司強調(diào)了布局在實現(xiàn)中的作用可靠的供應(yīng)。它建議使用短互連來最小化電壓降，以及根據(jù)輸出電流的超厚銅包層或母線。另一個提高可靠性的技巧是使用大板電路板用于元件和電流以及足夠的尺寸和電鍍用于通孔。

除了堅固的設(shè)計和適當(dāng)?shù)脑x擇外，高可靠性電源必須利用良好的組裝和制造CUI總結(jié)了不損害設(shè)計或組件的過程。總之，可靠的電源是多種因素的組合，例如設(shè)計和分析，組件，制造過程，老化測試和安裝。沒有一個步驟可以確?？煽抗?yīng)。