1、可靠性设计在中频逆变电源开发中的应用电子产品可靠性与环境试验可靠性设计在中频逆变电源开发中的应用虞培义.周云(深圳市长洲电子有限公司,广东深圳 518054)设计的实际经验,介绍 T 可森性设计在新产品拜发审酶嗣潇翔攀了孽嚣性 0_0“孽囊曩囊誊薯_l- _隔蠢文献标识码:A 文章编号:l672-5 辱鹋_拳 o4ApplicationofReliabilityDesigntotheMid-frequencyInverterPowerSupplyDevelopment,YUPeiyi.ZHOUYunfShenzhenChangzhouElectronicsCo.,Ltd.,Shenzhen51
2、8054,China)Abstract:Bosedontheexperiencesondesigningmid-frequencyinverterpowersupply,theapplicationofreliabilitydesigntothenewproductionsdevelopmentisintroduced,andsomemethodsusedinthereliabilitydesignarealsolisted.Keywords:reliability;reliabilitydesign;MTBF1 前言质量是产品,过程或服务满足规定或潜在要求(或需要 )的特性和特征的总和.产品
3、的特性和特征包括性能,可靠性,维修性,安全性和经济性等,维修性,安全性,经济性又与可靠性密切相关.一个产品不论其性能指标有多好.如果可靠性不高,企业不但要支付大笔的售后维修服务费用.而且会严重地影响产品的商业信誉.因此产品的可靠性已得到了人们越来越多的关注和投入.为了达到产品可靠性要求而进行的有关设计,试验,管理和生产等一系列工作称为可靠性工程.可靠性工程起源于军事领域.现已发展成为一门涉及面十分广泛的综合性学科.要保证产品的可靠性,需要管理,设计,生产,供销和质检等方方面面的协调运作.但产品的固有可靠性却是由设计阶段决定的.因此一种新产品的开发在其研制阶段就应贯彻可靠性设计的原则.我公司在研
4、制开发 CZDZP 系列 400Hz 中频逆变电源的过程中.充分感受到了可靠性设计带来的好处.由于在研制过程中始终贯彻了可靠性设计的原则,使产品的质量得到了很大的提高,MTBF 超过 20000h,并通过了信息产业部电子第五研究所质量检测收稿日期:20o3o620 修回日期:2003 一 o722作者简介:虞培义(1958 一),男,浙江奉化人,深圳市长洲电子有限公司高级工程师,长期从事高频开关电源和特种电源的开发设计工作.电子产品可靠性与环境试验 20o3 年中心的可靠性鉴定试验,被海装电子部列为标准化推广项目.最近.我公司的 CZD-ZP8KD 型中频逆变电源作为某型号雷达的 400Hz
5、供电电源.与该雷达一起通过了信息产业部电子第五研究所的可靠性鉴定试验.2 可靠性设计在中频逆变电源开发中的应用在中频逆变电源的开发过程中.为了提高电源的可靠性.我们主要在以下几方面开展了工作:2.1 根据中频逆变电源的性能要求及用途定义可靠性要求.预计和分配可靠性指标描述产品的可靠性要求有以下 4 种基本方法:1)平均故障间隔时间( 平均无故障工作时间)MTBF, 适用于长寿命系统 ;2)在规定时间内的正常工作概率(任务可靠度)R(tm),适用于规定在任务期间应具有高可靠性,但在超出任务期间时的 MTBF 已几乎没有实际意义的产品的可靠性;3)成功概率 P(s),适用于规定一次性使用或周期性使
6、用产品的可靠性;4)故障率 (失效率 )A,适用于规定元器件,装置及组件的可靠性.50Hz 输入对于中频逆变电源这样比较简单的系统,用失效率 A 和 MTBF 来定义系统的可靠性是比较合适的,先采用“元器件计数法 “估算出组成系统的每个单元的失效率,计算公式为:A 单元=MLGQi(1)=I式中,f 一第 i 种类元器件的数量;AG 广一第 i 种类元器件的通用失效率,可查相关标准或手册;订 Q 广第 i 种类元器件的通用质量系数,可查相关标准或手册;,单元所用元器件种类的数目.根据各单元的失效率计算系统的总失效率为:nA 总=A 单元 i(2)=I式中,A 单元 i第 i 个单元的失效率;,
7、卜一-单元的个数.则系统的 MTBF 为:M11BF-击根据中频逆变电源的设计方案.电源可分为 5个单元,如图 1 所示.首先利用 GJB299 和 MILHDDH 一 217 查出所选用元器件的通用失效率 AG 和通用质量系数订,根据公式(1)计算出每个单元的失效率(计算结果略),根据公式(2) 计算出电源的总失效率为:A 总=A 单元 l+A 单元 2+A 单元 3+A 单元 4+A 单元 5=42.386(1)电源的平均无故障工作时间为:MTBF=1/Aa=23592.7(h)电源整机及各单元的可靠性指标需反复估算,图 1 中频逆变电源组成框图分配和验证,在产品研制的各个阶段,可靠性预计
8、也要反复地进行.制定产品可靠性指标时还应考虑成本因素,不能盲目地追求高指标.综合多方面的因素,经多次设计,评审和试验,我公司开发的 CZDZP 系列中频逆变电源的 MTBF 规定为20000h.2.2 将可靠性工程设计准则应用于产品开发中2.2.1 元器件的选择和控制元器件是系统的基本组成单元,产品不可能比其基本组成单元更可靠.因此选择,规定,使用和控制用于产品的元器件是设计过程中关键的一步.元器件要优选标准元器件,选择合格器材供应单位进行定点采购,尽可能地压缩品种,规格,提高元器件的复用率.除特殊情况外,所有元器件均应经过“可靠性“筛选方可使用.第 5 期虞培义等:可靠性设计在中频逆变电源开
9、发中的应用2.2.2 降额设计降额就是使元器件在低于其额定应力的条件下工作.合理的降额可以大幅度地降低元器件的失效率,是电子设备可靠性保障设计的最有效方法之一.但在应用降额设计时要注意,并不是对所有的元器件都是降额越多越可靠,有的元件当降额过多时反而使失效率增加,有些元器件降额到一定条件后,如果再降额则对失效率的下降贡献不大,反而增加重量,体积和成本.因此在进行降额设计时应熟悉元器件的工作原理和失效机理,才能作到合理降额.常用元件的降额范围如表 l 所示.表 1 常用元件的降额范围2.2.3 简化设计产品的可靠性随其复杂程度的增加而降低,为了获得可靠性高的电路设计方案,在评审设计方案时,应除去
10、对执行预期的功能并非必要的电路和元器件,同时又需保证不会给其余部件施加更大的应力或超出常规的性能要求.避免使用未被验证,未经试验的电路和元器件来代替已经验证的,可靠的电路和元器件.用集成电路取代分立元件,例如中频逆变电源采用 l6 位微处理器做为电源控制核心,大大简化了硬件电路.2.2.4 环境设计环境影响会引起产品的性能降低,合理地选择设计方案和材料并减少或消除有害的环境影响,可以提高产品的可靠性.因此可靠性设计必须考虑产品对环境的承受强度,针对产品的使用环境采取必要的措施,例如采用合理的热设计,提高发热器件的散热能力,减少发热器件对周边器件的影响;在结构设计中采取必要的加固措施,加装减震器
11、,提高抗冲击,振动的能力;采用“三防“ 处理 ,涂覆处理及密封措施提高产品适应复杂气候环境的能力.需要强调的是在确定环境应力过程中,要考虑与产品全寿命周期有关的所有的应力,这不仅包括工作和维修环境,还包括工作之前的环境,这种环境应力在产品制造,组装,检验,试验,装运以及安装过程中对零件产生影响,可能会严重影响产品的最终可靠性.而产品在工作之前所受到的应力往往被忽略,但它们可能代表产品必须经受的特别苛刻的环境.产品在运输和安装过程中遇到的环境往往比它们在正常工作时所遇到的环境更恶劣.在产品设计中含有的环境承受能力应适合于在工作之前所遇到的环境条件和投入使用之后产品所经受的环境条件.2.2.5 电
12、磁兼容性设计电磁干扰可能使电子元件失效,敏感设备功能下降或产生故障模式,电磁干扰使设备失效增加,系统完成规定功能的概率降低,缩短 NTBF,增加维修时间和费用.电磁兼容性设计的主要内容就是研究电磁干扰的抑制技术,从构成电磁干扰过程的三要素看,就是要抑制电磁干扰源,切断电磁干扰耦合途径,降低电磁敏感装置的敏感性.具体措施有设计合适的吸收网络,减少功率开关管的尖峰电压,实施合理的分类布线,采用屏蔽,滤波等措施,选择恰当的接地等.电磁兼容涉及的技术领域和服务对象几乎包括了一切用电的或涉及电磁的设备,因此电磁兼容性设计是一项非常重要而又复杂的工作.2.3 减少设计失误.不断提高产品的可靠性水平产品的固
13、有可靠性是由设计确定并通过制造实现的.由于产品复杂性的不断增加和新技术的应用,产品设计需要有一个不断深化认识,逐步改进,完善的过程.初始产品(或样机)在试验或运行中,故障和问题较多,存在许多设计和工艺方面的缺陷,通过有计划地改进设计和工艺,根除故障产生的原因,从而提高产品的可靠性水平.这种有计划地按照“试验一分析一改进 “的程电子产品可靠性与环境试验 2003 矩序,使产品可靠性获得提高的过程称为可靠性增长.实现可靠性增长的 3 个基本要素是:1)故障源的检测( 通过分析和实验);2)发现问题的反馈;3)根据发现的问题进行有效的再设计.很明显.实验室及环境试验只能暴露一部分问题,长期的生产,系
14、统的运行和维修才能暴露所有的问题.所以对设计进行早期的严格检查,试验及对产品的实际使用情况及时调查,咨询是减少设计失误的有效办法.为了及早地发现产品在设计,元器件,零部件,原材料和工艺方面的各种缺陷,我们在设计生产出电源样机后,进行了充分的模拟试验,对用户的实际使用环境和使用条件及时摸查.认真对待用户反馈的各种情况,对发现的问题及时加以改进.2.4 可靠性鉴定试验产品的可靠性是否能够达到预期的目标,还需要通过可靠性鉴定试验来验证.我们委托信息产业部电子第五研究所质量检测中心对中频逆变电源进行了可靠性鉴定试验.试验样品从检验合格并经老化处理的产品中随机抽取 10 台.按照GJB899可靠性鉴定和
15、验收实验和 HJB设计鉴定和生产验收可靠性试验方法中的相关规定,采用定时截尾试验方案,MTBF 的检验下限值 01-20000h 预定 3 套不同风险率的试验方案.如表2 所示.根据试验的实际情况决定截尾时间,首先表 2 不同风险率定时截尾试验方案按方案 1 进行试验;若方案 l 未通过,则分析故障原因,排除故障后继续按方案 2 试验;若方案 2还未通过,则继续按方案 3 进行试验.经试验证明.我公司生产的中频逆变电源的 MTBF 值完全达到了预期的目标.可靠性设计是一门复杂的综合性学科,具有很强的理论性和实践性,随着科学技术的不断进步,可靠性理论与技术也在不断地更新,发展,我们只有不断地学习.将新的可靠性理论与技术应用到实际工作中,才能研制,生产出符合现代化国防建设所需要的高可靠性产品.参考文献:1】SJ20454 94,电子设备可靠性设计方法指南S】.【2】钱振宇.电磁兼容测试和对策技术J.上海电器技术,1999,(增刊 ):2124.
