如何提高电源系统设计的可靠性

虽然乍一看电源可能不如微处理器或DSP那么迷人，但它们是电子系统的必要组成部分，因为任何电源故障都会导致系统停止运行。其糟糕的性能会影响给定产品的质量。因此，系统设计人员非常关注直接供电故障和性能不佳。换句话说，任何系统中电源的可靠性都至关重要。

要选择或构建可靠的电源，需要充分了解影响产品可靠性的因素和压力。本文将探讨可靠性的含义以及可靠性和故障率之间的关键差异，如CUI题为“电源可靠性考虑因素”的白皮书中所述。¹它还将讨论像CUI这样的制造商如何通过提高可靠性来提高可靠性设计，元件选择和制造过程。一些例子将说明供应商如何在公司制造的AC/DC和DC/DC转换器模块中整合和指定这些实践。

可靠性和故障

在研究提高电源可靠性的过程之前供应，首先要了解其定义以及可靠性和故障率之间的区别。根据CUI的白皮书，可靠性是指在特定条件下运行的供应在给定时间段内正常工作的概率。失败率是在给定时间单位内失败的单位的百分比。如图1所示，它遵循“浴缸”曲线，并由工程师分为三个关键阶段，包括婴儿死亡率，使用寿命和磨损。虽然婴儿死亡率是由于工艺差和质量差的部件造成的，但第二阶段是使用寿命，它使故障率保持在低水平并保持恒定，以使供应保持较长时间的正常运行。在磨损阶段，即第三阶段也是最后阶段，当其部件达到其使用寿命时，供应失败。

图1：如图所示，故障率归类于三个关键阶段：婴儿死亡率，使用寿命和磨损（由CUI提供）。虽然可以肯定地预测特定转换器将在期望的规格内运行多长时间或在多少小时后运行失败是有争议的，CUI建议使用概率技术确定供应的预期寿命或失败。根据白皮书，供应的可靠性取决于许多因素。其中的关键是声音设计，具有足够的利润，组件质量，散热考虑，老化和制造过程。该公司使用以下公式计算组件的可靠性：

从本质上讲，组件的选择对于电源的整体可靠性至关重要。因此，建议必须使用固有可靠的组件来显着降低故障风险。例如，根据CUI的经验，电容器是电源中的常见故障点，因此使用寿命更长的电容器有助于提高产品的可靠性。然而，它确实增加了总体成本，因为质量组件成本更高。同样，磁性元件（变压器和电感器）也需要特别注意。

另一个可以提高可靠性的因素是使用低于额定规格的元件。例如，当在55°C下使用时，额定在85°C下可靠运行的组件将具有显着改进的性能。通常情况下，温度每降低10°C，组件的寿命就会翻倍（图2）。

图2：温度对组件预计寿命的影响（由CUI提供）。 br》此外，CUI建议三种方法来确定故障率。这些包括预测，评估和观察。在参考白皮书中更详细地讨论了每种方法。预测采用以下标准数据库之一的组件故障率和预期寿命。这些是MIL-HDBK-217（美国海军），HRD5（英国电信）和Telcordia（以前是Bellcore）。由于MIL-HDBK-217专注于军事和商业应用，并产生MTBF数据，因此CUI更喜欢用它来计算其AC/DC和DC/DC转换器模块的MTBF。有趣的是，电源制造商更喜欢提供故障率的倒数，即平均故障间隔时间（MTBF）和平均故障时间（MTTF）。因此，根据全球营销副总裁杰夫施纳贝尔（Jeff Schnabel）的说法，MTBF和MTTF基本上是相同的衡量标准，因为它们都是故障率的倒数。然而，Schnabel补充道，“MTBF通常用于修复然后恢复使用的设备。”“尽管有普遍的假设，”Schnabel继续说道，“它不能保证最短的故障间隔时间，只是平均值。”对于CUI营销主管而言，MTBF是行业中的标准衡量标准。

虽然了解MTBF在一定温度范围内的表现是有帮助的，但电源制造商更愿意在25°C的温度下进行指定。根据Schnabel的说法，“CUI通常在设计和测试过程中不仅仅在室温下评估MTBF，并且可以根据要求分享这些信息。”一个典型的和/或好的MTBF取决于应用，Schnabel指出。通用AC/DC墙式适配器通常可以被评定为大约100，000+小时，而用于电信应用的DC/DC将在百万多小时范围内。 “部分原因是墙壁适配器很容易更换，而焊接在主板上的DC/DC转换器不能轻易更换，这样做可能非常昂贵，”Schnabel断言。此外，一些产品，如医疗设备，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换，Schnabel说。例如，让我们来看看CUI的365 W AC/DC系列VMS- 365。数据表规定在25°C环境温度下使用400 LFM强制通风，MIL-HDBK-217E-1和75％额定满载时的MTBF为300，000小时（典型值）。同样，160 W AC/DC系列VMS-160的数据表显示在类似条件下最小MTBF为200，000小时。

如上所述，CUI的DC/DC转换器额定值要高得多。例如，根据MIL-HDBK-217F方法，1 W DC/DC PDS1-M系列在25°C时的最低额定值为350万小时;而高达20W的系列PYB20在25°C时每MIL-HDBK-217F提供至少100万小时。

三种应力

此外，本文突出了三种应力在电源的生命中起着至关重要的作用：热，机械和电气。 CUI解释说，良好而坚固的设计考虑了这些应力中的每一个，并采用适当的步骤来最小化它们的发生和影响。虽然热应力是最具挑战性和最有害的，因为它以多种不同的方式出现，但机械应力的影响取决于供应在终端设备中的安装和使用方式和位置。同样，当元件超出其额定规格运行时，电气应力就会出现。例如，电容器的额定电压可能为100 VDC，但在工作期间电路中会出现150 VDC的尖峰电压，并且由于电路瞬态或外部ESD，指定处理高达1A电流的电阻会经历更高电流的脉冲事件。结果是在许多情况下过早老化和早期失效。

因此，白皮书强调了一种考虑到负载和线路瞬态以及噪声影响的稳健设计。这意味着优秀的设计师谨慎地建立组件参数所需的最小/最大值，以确保可靠的操作。此外，CUI还建议使用像Spice这样的仿真程序，使用组件和印刷电路板以及互连的真实模型来验证电源电路的静态和动态性能。最后，公司强调了布局在实现中的作用可靠的供应。它建议使用短互连来最小化电压降，以及根据输出电流的超厚铜包层或母线。另一个提高可靠性的技巧是使用大板电路板用于元件和电流以及足够的尺寸和电镀用于通孔。

除了坚固的设计和适当的元件选择外，高可靠性电源必须利用良好的组装和制造CUI总结了不损害设计或组件的过程。总之，可靠的电源是多种因素的组合，例如设计和分析，组件，制造过程，老化测试和安装。没有一个步骤可以确保可靠供应。