預(yù)測(cè)電源可靠性是一門(mén)藝術(shù)還是科學(xué)？ - 全文

　　數(shù)據(jù)手冊(cè)是元器件、 模塊或系統(tǒng)性能的全面的、 經(jīng)測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)證信息的完美信息庫(kù)。 在電源單元（PSU）的情況下， 數(shù)據(jù)手冊(cè)為工程師提供了大量的性能參數(shù)， 包括紋波和噪聲、 效率、 調(diào)節(jié)精度、 隔離電壓、 電磁排放量等。 所提供的信息的數(shù)量和詳細(xì)程度為用戶在任何給定應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能提供了極大的信心。

　　但另一個(gè)重要的性能參數(shù) – 電源可靠性又如何呢？事實(shí)上，當(dāng)今的知名制造商提供的電源單元（PSU）具有極長(zhǎng)的壽命。其壽命在由可靠性標(biāo)準(zhǔn)（如MIL-HDBK-217或Telcordia）規(guī)定的測(cè)試條件下進(jìn)行了精確預(yù)測(cè)。更重要的是，經(jīng)驗(yàn)表明，除了這些嚴(yán)格定義的參數(shù)之外，高質(zhì)量的電源單元PSU也提供超長(zhǎng)壽命。

　　但是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員仍然面臨一個(gè)問(wèn)題：在這些測(cè)試條件以外的條件下操作時(shí)，他們?nèi)绾巫孕诺仡A(yù)測(cè)電源單元（PSU）的平均壽命？各種各樣常見(jiàn)因素可能打破這些條件，如：熱、沖擊和振動(dòng)、電源電壓的瞬態(tài)波動(dòng)、電解電容的老化等都可能引起過(guò)早失效。因此，數(shù)據(jù)手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)壽命額定值很少完全適用于真實(shí)世界的產(chǎn)品。

　　同時(shí)，無(wú)法控制最終產(chǎn)品的可靠性是難以接受的。品牌的聲譽(yù)是一筆寶貴的財(cái)富。處置和維修的環(huán)境和費(fèi)用成本也是一種浪費(fèi)。

　　那么，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師怎樣才能自信地預(yù)估商用現(xiàn)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(shù)據(jù)的限制

　　最常用的表征一個(gè)新的COTS PSU的壽命的值是故障前平均時(shí)間（MTTF）或平均故障間隔時(shí)間（MTBF）值。故障前平均時(shí)間（MTTF）在恒定工作（環(huán)境）溫度下通常為數(shù)千小時(shí)。

　　當(dāng)然，故障前平均時(shí)間（MTTF）并沒(méi)有給出從大量單元中隨機(jī)抽取的任何單個(gè)單元的失效時(shí)間：MTTF是一個(gè)平均值。有的單元的壽命比額定MTTF值更長(zhǎng)，有的則會(huì)更早失效。事實(shí)上，假定一個(gè)恒定的故障率在電子設(shè)備的操作條件下是不切實(shí)際的假設(shè)，單個(gè)單元的壽命能夠持續(xù)到MTTF值的概率只有37％。換句話說(shuō)，故障前平均時(shí)間（MTTF）經(jīng)過(guò)69%后，半數(shù)的單元將失效，如圖1所示。

　　這是因?yàn)?，具有恒定故障率的故障由一個(gè)指數(shù)因子表征，如以下等式所示，用于計(jì)算元器件在給定時(shí)間后沒(méi)有發(fā)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(cè)試的模型以預(yù)測(cè)其產(chǎn)品的故障率。他們不能在正常操作條件下運(yùn)行PSU的測(cè)試，并等待觀察故障，因?yàn)樾枰S多年的時(shí)間來(lái)收集統(tǒng)計(jì)顯著性數(shù)據(jù)。因此，他們將其產(chǎn)品暴露于過(guò)高的溫度、振動(dòng)、電流和電壓應(yīng)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(cè)試的結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)手冊(cè)中的MTTF值；有信譽(yù)的PSU制造商應(yīng)認(rèn)真核實(shí)并完善自己的方法，以確保其能反映用戶的真實(shí)世界體驗(yàn)。

　　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(shù)據(jù)手冊(cè)中的MTTF值。但由于它僅適用于很窄的工作條件，當(dāng)在一系列競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品中進(jìn)行選擇時(shí)，最好僅將它作為一個(gè)比較工具。換句話說(shuō)，MTTF適用于指示在類似條件下經(jīng)過(guò)測(cè)試的不同PSU的相對(duì)壽命。

　　但是，任何給定應(yīng)用中的MTTF真實(shí)值高度依賴于該應(yīng)用的操作條件。溫度對(duì)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(duì)水平、這些參數(shù)的變化率、機(jī)械應(yīng)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(jì)算的，但許多用戶的應(yīng)用將在以下條件下運(yùn)行：

　　·充滿變化

　　·與“典型”值不同

　　即使應(yīng)用具有恒定的條件，這些條件也幾乎不可能與數(shù)據(jù)手冊(cè)的典型應(yīng)用條件相同。

　　因此，當(dāng)在任何給定的真實(shí)世界應(yīng)用中估計(jì)故障率的時(shí)候，數(shù)據(jù)手冊(cè)中的故障率和可靠性信息僅能提供有限的效用。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須設(shè)計(jì)適應(yīng)其終端產(chǎn)品的最大可接受的故障率。不管該目標(biāo)故障率是幾乎為零（在任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中）還是每10，000小時(shí)一次故障（在低成本消費(fèi)產(chǎn)品的情況下），設(shè)計(jì)人員都必須具有高度信心，使現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際故障率至少達(dá)到最低目標(biāo)。

　　如上所述，數(shù)據(jù)表中的MTTF不能提供如此高的信心水平，除非在規(guī)定的恒定操作條件下。那么，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員怎樣才能更自信地預(yù)測(cè)真實(shí)世界的故障率？答案是，部分是藝術(shù)，部分是科學(xué)。

　　科學(xué)是指有信譽(yù)的PSU供應(yīng)商提供的附加數(shù)據(jù)集。例如，村田電源、Vicor和CUI等制造商都提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)：聲明返廠進(jìn)行維修或更換的PSU故障率觀察值。該聲明基于對(duì)每個(gè)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(hào)的潛在用戶：

　　通過(guò)審查它與現(xiàn)場(chǎng)故障率觀察值之間的相關(guān)性來(lái)驗(yàn)證 MTTF的計(jì)算，如圖2所示

　　確定可能引起大多數(shù)故障的特定操作條件、應(yīng)力或元器件

　　圖2：PSU的壽命有三個(gè)階段：“早期故障率”在第一階段很高，持續(xù)時(shí)間約24小時(shí)。裝運(yùn)前預(yù)燒可避免這些“早期故障率”故障

　　（來(lái)源：CUI，“電源的可靠性注意事項(xiàng)”）

　　有信譽(yù)的制造商還提供了設(shè)計(jì)工程師可以學(xué)習(xí)的如何優(yōu)化其PSU方案的詳細(xì)的應(yīng)用筆記。例如，SL Power等供應(yīng)商的應(yīng)用筆記提供了有關(guān)熱和機(jī)械設(shè)計(jì)的有用指導(dǎo)，并體現(xiàn)了其設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程的細(xì)節(jié)深度。遵循制造商的指南將有助于最大限度延長(zhǎng)PSU的使用壽命。

　　第二個(gè)附加數(shù)據(jù)點(diǎn)可以根據(jù)請(qǐng)求提供給用戶，例如，Vicor電源：專為用戶應(yīng)用的典型操作條件而定制的應(yīng)用專用的MTTF額定值。即使考慮到加速測(cè)試方法所固有的不確定性，以及用戶自己的應(yīng)用操作條件的不確定性，與基于典型工作條件的標(biāo)準(zhǔn)MTTF值相比，該定制MTTF值仍然提供了對(duì)用戶應(yīng)用中的各種Vicor PSU的更可靠的平均故障率預(yù)估。

　　每個(gè)有信譽(yù)的PSU制造商可提供的第三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(yīng)用中的改變（如增加一個(gè)冷卻氣流）的影響。

　　但是，即使加上這些數(shù)據(jù)，也無(wú)法保證可以在任何給定應(yīng)用中絕對(duì)確定地計(jì)算平均故障率：變量的數(shù)量影響PSU的工作，制造商測(cè)試方法固有的不確定性也太大。事實(shí)上，隨機(jī)真實(shí)世界事件所固有的不確定性的性質(zhì)已經(jīng)對(duì)一些最偉大的科學(xué)家提出了挑戰(zhàn)：據(jù)說(shuō)，Alan Turing這樣對(duì)同事描述過(guò)這個(gè)問(wèn)題：

　　“在一個(gè)城鎮(zhèn)中，你如何通過(guò)看到的隨機(jī)車牌最好地估計(jì)整個(gè)城鎮(zhèn)的出租車數(shù)量？”

　　那么，科學(xué)只提供了部分答案；電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還必須運(yùn)用工程師的藝術(shù)。經(jīng)驗(yàn)為設(shè)計(jì)人員提供了對(duì)于每個(gè)制造商的數(shù)據(jù)的可靠性直覺(jué)。通過(guò)檢查自己產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)故障，OEM設(shè)計(jì)人員可以建立實(shí)際故障率的圖像、故障的原因，并與他們僅基于制造商的數(shù)據(jù)所形成的期望做比較?？此鼈兪欠裼忻芮械南嚓P(guān)性，或?qū)嶋H上性能更好還是更差？以及與預(yù)期性能有多大差距？

　　工程師對(duì)這些問(wèn)題的直覺(jué)有助于加強(qiáng)其通過(guò)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果來(lái)預(yù)估故障率的信心。

　　有信心地預(yù)測(cè)

　　當(dāng)數(shù)據(jù)手冊(cè)描述了PSU的可靠性或不可靠信息時(shí)，它具有明顯的數(shù)學(xué)確定性。但是，這些數(shù)據(jù)本身在任何給定應(yīng)用中預(yù)測(cè)MTTF時(shí)僅提供了有限的信心。

　　但當(dāng)設(shè)計(jì)工程師選擇的PSU來(lái)自一家已知的、有信譽(yù)的制造商，或者當(dāng)他們對(duì)制造商的數(shù)據(jù)有自己的經(jīng)驗(yàn)，或受信任的第三方（如電源分銷商）的經(jīng)驗(yàn)時(shí)，他們可以對(duì)其壽命性能有更高的信心?？傊?，這些產(chǎn)品已經(jīng)積累了多年的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，但令人驚訝的是，并非所有經(jīng)驗(yàn)的獲得都需要很高的代價(jià)。

　　換句話說(shuō)，幫助工程師對(duì)PSU的使用壽命做出良好判斷的不是單純的藝術(shù)，也不是單純的科學(xué)，而是藝術(shù)與科學(xué)的結(jié)合。