設開關電源壽命評價

1、開關電源壽命評估開關電源-壽命評估一.電源的壽命的定義和期望壽命眾所周知，電子產(chǎn)品的故障如Bath-tub Curve (圖1,)所示，分為以下三種類型。 減少型(DFR Decreasing Failure Rate)初期，帶有缺陷的部分會發(fā)生故障，但隨著時間的推移，剩下的都是穩(wěn)定的部件，故障率亦會下降。 這段時間稱為初期故障期。 一定型(CFR; Con sta nt Failure Rate)此時，機器運行穩(wěn)定，故障率降至一定水平，發(fā)生的故障均為隨機性事件，稱為偶發(fā)性故障期。這段 時期的穩(wěn)定度和平均故障時間(MTBF呈指數(shù)式分布。 增加型(IFR ; Increasing Failure

2、 Rate)故障率逐漸上升。故障發(fā)生原因為磨損。多見于風扇電動機的球形軸承及繼電器的驅(qū)動部位等處。這 種類型的故障具有集中某處發(fā)生的特征，一般從初期開始即呈正態(tài)分布。因此，可以說壽命就是指機器故障率保持不變的穩(wěn)定運行時期，也就是偶發(fā)故障期。用戶對電源的最低壽命的要求各不相同，一般最好考慮為 710年。然而，機器的運行時間因機而異 所以應明確限定期望壽命，并檢測設計是否符合壽命標準。表1中列舉了幾種主要電器的最短壽命。它們是在設定完全使用時間為7年的前提下，根據(jù)各種電器的運行狀況推算出來的數(shù)據(jù)。用途時間負荷比時間計算prin ter額定負1最大額定負荷8-2H/天荷4.200H最小額定負荷2H/

3、天最大額定負荷1使用天數(shù)300天/年12.60 H最大額定負荷壽命6 H/天X 300天/年X7年=12.600H最小額定負荷壽命2 H/天X 300天/年X7年=4.200HPC額定負荷1使用8H/天壽命8H/天X 300天/年X7年=16,800HPPC額定負荷1PCB個 數(shù)500,000個/壽命556H最小負荷時間500,000 個 X 分 / 個X（ H/分）=556H最小額定負荷0.05最大額定負荷（8H/天X 300 天X7 年）556H= 16.244卜16.244H0.2FAX額定負荷1最小額定負荷2H/天X 365天/年X7 年= 5.110H5.500H最大額定負荷（24H

4、/ 天 X 365 天/ 年 X7 年）最小額定負荷0.15.110H=56.210H源裝置的壽命評估電源裝置因為處理電流的緣故，所用部件受到的電應力大，發(fā)熱量高，機器內(nèi)部溫度上升快，所以壽命評估工作尤顯重要。機器的壽命基本上和使用部件的壽命掛鉤。 部件壽命與熱、電應力成函數(shù)關系，其中更以熱應力為主。從機器壽命設計的觀點來看，如果將所有部件的壽命統(tǒng)一，則能達到理想的最優(yōu)性價比，但部件的壽 命性能（影響部件壽命的電力、環(huán)境特征）相差巨大，因而難以實現(xiàn)。一般來說，盡可能降低短壽部 件的應力，并極限化使用長壽部件，可以實現(xiàn)部件壽命的平均化。電阻類、陶瓷電容器和薄膜電容器等半導體部件不接觸強應力，壽命

5、極長，因而可以說下面舉出的部 件的壽命才真正決定了電源的壽命。三決定壽命的主要部件 電解電容器電解電容器的封口部位會漏出氣化的電解液，這種現(xiàn)象會隨著溫度的升高而加速，一般認為溫度每上升0C，泄漏速度會提高至2倍。因此可以說電解電容器決定了電源裝置的壽命。 開關晶體管、高速功率二極管此類部件在性能界限內(nèi)使用時，基本上可以維持 7 10年的壽命， 但電源通斷（能量循環(huán)） 時產(chǎn)生的物 理應力、熱應力會導致元件劣化，提前損壞。 風扇球形軸承及軸承的潤滑油枯竭、機械裝置部件的磨損，會加速風扇的老化。加之近年的DC風扇的驅(qū)動 回路開始使用電解電容器等部件，所以有必要將回路部件壽命等因素也一并考慮進去。 光

6、電耦合器電流傳達率CTR Current Transfer Ratio ）隨著時間的推移會逐漸減少，結(jié)果發(fā)光二極管的電流不 斷增大，有時會達到最大限制電流，致使系統(tǒng)失控。 開關 多數(shù)開關電源設有電容器輸入型的整流回路，在通入電源時，會產(chǎn)生浪涌電流，導致開關接點疲勞， 引發(fā)接觸電阻增大及吸附等問題。理論上認為， 在電源期望壽命期間， 開關的通斷次數(shù)約有 5,000 回 沖擊電流保護電阻、熱敏功率電阻器為抵抗電源通入時產(chǎn)生的沖擊電流，設計者將電阻與 SCR等元件并聯(lián)起來使用。電源通入時的電力峰 值高達額定數(shù)值的數(shù)十倍至數(shù)百倍，結(jié)果導致電阻熱疲勞，引起斷路。處在相同情況下的熱敏功率電 阻器也會發(fā)生熱

7、疲勞現(xiàn)象。四壽命測試.1 壽命測試的意義為保證裝置的壽命，可以從構(gòu)成裝置的部件及材料的壽命來推算裝置總體的壽命，從而代替了對裝置 本身的壽命測試，然而，推測畢竟只是推測，要想真正保障壽命，就必須切實搞好測試工作。另一方 面，電源機器是整個裝置的心臟部位，與其他部分相比，要求有更高的穩(wěn)定性。通過統(tǒng)計來確定產(chǎn)品 的耐用壽命，本是很普通的工作，但在這里，測試所耗費的樣品、時間和費用等成本頗為可觀。要解 決這個難題，可以考慮采用以下三種方法： 依據(jù)儲存數(shù)據(jù)和過去的實際經(jīng)驗， 挑出短壽部件， 對其進行專門的壽命測試， 從而推算出整個電源 裝置的壽命。 嚴格限制故障標準，從嚴判定故障。 提高測試時的應力值

8、， 或者增加重復電源通斷的次數(shù)。 在易出故障的條件下， 縮短檢測時間， 從嚴 判定故障。第條要求操作者充分把握部件的使用狀態(tài)，因為萬一個別部件所受的應力超過預計，則有可能導致 判斷失誤。需要注意的是：設計電源裝置時必須考慮到所有部分的耐用壽命和穩(wěn)定性，所以這種壽命 測試不僅可以推算出機器的耐用壽命，更可以有效排除制造商方面的設計失誤及漏洞。電源機器的設 計也要考慮到用戶的使用條件，但是因為用戶未必都能充分把握有關規(guī)格要求，所以測試包括電源裝 置在內(nèi)的機器總體的壽命是很有效的手段。這種做法也有利于用戶方面對制造商進行比較，增強廠家 競爭力。4.2 故障類型與故障構(gòu)成有關壽命的故障類型是指部件故障

9、的外在表現(xiàn)，例如電源裝置中出現(xiàn)的輸出值下降，輸出電壓異常上升等問題。這些類型是部件的故障類型中的短路、開路和特性值改變引起的表現(xiàn)。故障構(gòu)成在這里是指引發(fā)個別部件的故障的理論模型，也就是說從材料化學、原子分子的層面上看， 部件發(fā)生故障的原因是什么。關于故障構(gòu)成的知識將會在下文中就不同部件詳細說明。 要想研究壽命測試的方法，必須先將故障類型與故障構(gòu)成的相互關系理清。 圖 2 標明了二者間的關系 .3 加速壽命測試 壽命測試需要大量樣品和很多時間，故而一般采用加速壽命測試法。.3.1 加速要求 壽命加速的允許范圍是指能夠保證隨著應力的增強，故障結(jié)構(gòu)不變，而特性值變化的形式、故障時間 的分布、平均壽命

10、和故障率等發(fā)生規(guī)則變化的條件。應力如果過強，則會導致其它的劣化現(xiàn)象，所以 應留意應力值的設定。.3.2 劣化反應與加速系數(shù) 部件及材料的特性值會隨著基本物質(zhì)的擴散、氧化和再結(jié)晶等反應而發(fā)生劣化。設特性值為，反應速度為K, K與的關系如下：f( )/dt=K(1)因此， )=Kt(2)假設特性值 達到故障標準 a 時,壽命 L 就將結(jié)束。則由(2)可得f(a)=K L壽命的加速系數(shù)AL為AL= LN/L =/KN(3)LN、KN各為基準值另，根據(jù)阿列里烏斯推論，加速系數(shù)為AL =2/0 T(4)但，/ T = T - TN0 T=T - TN0 r二(T TN LN2) /B:相應的活性化能源除

11、以玻耳茲曼常數(shù)所得的特殊常數(shù)。(注：玻耳茲曼常數(shù)為1.3709 X 10-10 爾格/絕對溫度。)N標準溫度。一般電器的0 r值基本上為10C左右，所以(4)式被稱為10C 2倍定律，但這種關系式并非總是能 夠成立。電子部件在接近常溫時，每上升10C，壽命約減少至2/31/2。.3.3故障構(gòu)成與壽命測試壽命測試的內(nèi)容依據(jù)故障構(gòu)成來設定。如圖3所示，由5種測試組成。.3.4高溫斷續(xù)測試的要求諸如繼電器、開關和電扇等機械性部件，以及功率晶體管，功率二極管等部件的升溫現(xiàn)象很嚴重 因而有必要進行高溫斷續(xù)測試。通過切斷和通入輸入電源，使元件反復進行升溫和冷卻的周期循環(huán)，從而測得元件對熱疲勞的耐力。實際操

12、作時需要重復循環(huán) 5 , 00010, 000次。環(huán)境溫度:5080 C斷續(xù)循環(huán)：5,000 10,000 次檢測項目:逐次檢測元件的一般性能 .本測試亦可與高溫連續(xù)測試組合使用。.3.5 高溫連續(xù)壽命測試的要求環(huán)境溫度:5080 C連續(xù)通電時間: 1,000 3,000 小時 檢測項目:一般性能（輸入電壓變化、輸出電流變化、脈動電壓和輸出電壓偏差） 不同的機器所要求的環(huán)境溫度及連續(xù)通電時間也不盡相同,一般按照下面的方法求出。假定電源裝置 的機器外部環(huán)境溫度平均為25C,考慮到機器內(nèi)部的升溫因素，電源周圍的溫度比機器外部約高10 5C,即3540 C。當然，特殊用途的電源不在此限。電源的期望壽

13、命平均為40,000小時，由阿列里烏斯公式可得 LN=40,000H TN=35C, 0 r=10 C,代入 第（3）、（ 4）式中可得下式:L=40,000 2- （T-35）10（ 5）設定環(huán)境溫度前,有必要了解裝置的溫度上限。可采用所謂的淘汰測試法,逐級提高溫度直至測試對象報廢，從而測得對象的耐溫上限。電源機器的極限溫度為7090C,如果能將環(huán)境溫度提高到此種 程度,則可以加快機器壽命的終結(jié)。此外,電解電容器是最脆弱的部件,因而有必要事先獲悉其壽命 值,并且在進行測試時,確?；旧喜怀^其溫度上限。例如，設T=75C，則由（5）式可得L=2,500小時。.3.6 高溫高濕測試 針對金屬部

14、件的腐蝕、塑料部件的分解等造成的機械強度和絕緣耐力下降等故障，宜進行高溫高濕測 試。要求如下：環(huán)境溫度：4050 C相對濕度：9095%放置時間： 96 小時（通電或不通電） 檢測項目：按上述要求放置后， 取出放置在常溫常濕下 30 分鐘 進行一般性能、振動測試、絕緣耐力測試和外觀檢查。.3.7 溫度循環(huán)測試 環(huán)境溫度的高低差產(chǎn)生季節(jié)裂紋等變溫性應力，從而導致焊接、塑模部件發(fā)生故障。進行本測試即是 為了檢測出這種故障是否存在。要求如下：環(huán)境溫度：高溫5060 C常溫 25 C 低溫 510C 將測試用電源放入上述三個恒溫箱中各 5 10 小時，重復高溫常溫低溫常溫高溫的循環(huán) 30 0次。檢測項

15、目：一般性能、振動測試和外觀檢查。五部件的壽命評估 .1 電解電容器 壽命性能電解電容器的壽命結(jié)束形式為磨損故障，決定壽命的主要因素為靜電容量、損失角的正切（tan 8 ）漏電流等。隨著時間的推移，靜電容量減少，tan 8增大。漏電流在外加電壓時有增加的趨勢，所以對負荷的壽命影響不大。 壽命的判定用百分比來表示靜電容量相對于起始值的變化率，一般達到-20%以下時即告壽命結(jié)束。tan 5的值在 超過規(guī)定值時壽命結(jié)束。漏電流在零負荷的情況下有增加的趨勢，同理，在超過規(guī)定值時壽命結(jié)束。 影響壽命的主要原因前面講到的特性之所以會產(chǎn)生劣化，其主要原因在于電解液。隨著溫度的上升，電解液氣化，經(jīng)電容 器的封

16、口部位向外泄漏，內(nèi)部的電解液不斷減少。隨著電解液量的減少， tan 5 會逐漸增大，結(jié)果， 脈沖電流經(jīng)由時產(chǎn)生的發(fā)熱量增大，又進一步加快了劣化過程。這種關系如圖4、圖 5 所示。 壽命的推算 鋁電解電容器的近似壽命可以由環(huán)境溫度與脈沖電流引起的自發(fā)熱溫度中推得。下面的式子表現(xiàn)了壽 命與環(huán)境溫度之間的關系。（6）在這里丄仁溫度T1時的壽命L2=溫度T2時的壽命T1= 最高保證溫度或測試溫度脈沖發(fā)熱溫度T2=推算壽命時的環(huán)境溫度+脈沖發(fā)熱溫度要求 T1 T2 測定脈沖發(fā)熱的升溫值時，需避開其它熱輻射。另外，小型電解電容器受熱極易升溫，最好進行表 面溫度實測。.2 光電耦合器aAs系的紅外發(fā)光二極管

17、多使用光電耦合器。這種發(fā)光二極管的發(fā)光效率的退化會導致CTR（電流傳達率）下降，其它的CTF劣化形式還有芯片面的光結(jié)合樹脂剝離。溫度越高，P8TR勺下降也越快。同時，二極管電流越大，CTF下降也越快。圖6、圖7標明了這些因素間的關系 TR筆至起始值的50漸耗的時間稱為半衰期。電源回路的統(tǒng)計中以此為限界值，所以可以認為半衰期 就是壽命時間。通常條件下，半衰期為5萬10萬小時，但所有的光電耦合器都具有如圖 8所示的壽 命值，因而在進行壽命評估之前最好確認一次。.3風扇風扇的壽命受軸承及球形軸承的磨損程度影響。軸承部分因旋轉(zhuǎn)而發(fā)熱，風扇自身雖能進行一定程度 的冷卻，但不能從根本上解決發(fā)熱問題。測出軸

18、承部位的升溫值，升溫值越小，質(zhì)量越好，由此來選 擇合適的制造商。軸承部位的潤滑油干枯及軸承的磨損導致轉(zhuǎn)數(shù)下降，噪音增大，加快了壽命的終結(jié)。關于轉(zhuǎn)數(shù)的減少 各制造商的標準不盡相同，但一般以起始值的35%為上限。壽命隨著溫度的上升而縮短。普通的 D 無刷電動機在40C的環(huán)境下，壽命約為40, 000小時，廉價的金屬軸承風扇約為 10, 000小時。圖 標出了風扇的壽命的特性值。另外，DC 風扇的壽命還受內(nèi)臟部分電動機驅(qū)動回路影響。風扇中經(jīng)常會用到鋁電解電容器，因此有必要將電容器拆開檢查（鋁電解是 105C部件吧）。.4半導體壽命性能阿列里烏斯反應速度公式同樣適用于半導體的壽命。根據(jù)上面提到過的（4

19、）式，壽命L與溫度T之間 有如下關系：:常數(shù)E0:活性化能量k:玻耳茲曼常數(shù)活性化能量由故障的構(gòu)成決定，取表2中的特殊值。表2活性化能量故障的構(gòu)成活性化能量氧化膜缺陷0.30.4eV離子性偏移0.71.3eV長時常數(shù)陷阱1.0eV電致徒動斷路0.61.0eV金屬腐蝕0.50.7eV金屬間化合物0.50.7eV生成圖10表示了將Tj=125 C時的壽命設為1之后，相對壽命與溫度之間的 關系，大致反映了半導體的壽命對溫度的依賴性。功率循環(huán)功率晶體管、功率二極管等元件會隨著能量通斷造成的溫度循環(huán)而發(fā)生 熱疲勞。設計時，應考慮到這種熱疲勞的影響，并對照芯片與縫隙、封 膜之間的線性膨脹系數(shù)，采用特殊金屬

20、來連接芯片與裂縫，以減輕熱膨脹帶來的機械性變形。用功率循環(huán)來表示壽命，一般有10, 000次以上從電源的期望壽命來看，需要保持循環(huán)5, 000次以上 .5電阻器電阻的穩(wěn)定性高，故障率為仆IT以下，壽命極長，所以平時使用時無需特別留意。然而，因為電阻值 會發(fā)生變化，如果要求高精度的電阻值，則需要特別注意。用在電源中的誤差放大器、分瓣電阻及標 準電壓中使用的電阻等就是用來保證電阻精確度的。圖11舉出了電阻器的電阻經(jīng)時變化情況。沖擊電流防護回路中使用的像電阻器一樣帶有浪涌電力的元件，會因為開關的循環(huán)而發(fā)生熱疲勞，導致斷路。浪涌電力、持續(xù)時間和循環(huán)次數(shù)成以下關系。帶負荷的衰減波形的耐浪涌特性如圖13所

21、示。將最大的第一波形的峰值電壓（Vp）代入（7）式，可 得rms,再代入（8）式，可求得額定電力倍數(shù)。這兩個數(shù)值和衰減時間常數(shù) r都適用于圖13。該曲纟 的內(nèi)側(cè)為安全地帶。使用普通的鎳鉻線（耐浪涌）時，約可承受 30,000次浪涌。:電阻值，W額定功率時間常數(shù)是當衰減波形的實效值降至第一波形的0.368倍時的時間值，所以其數(shù)值一般從電阻值上的 波形照片中獲得。.6熱敏功率電阻器壽命性能 作為沖擊電流防護回路的部件，使用在較小容量（不超過 70W的電源中。電源接入時，電流達到最 大值，熱敏電阻隨著溫度的上升，電阻值降低。通常溫度會上升至 7090C,雖然熱敏電阻采用的是 耐熱材料，但熱疲勞仍然會影響其壽命。制造商方面的壽命規(guī)格：當通過最大允許電流時，斷續(xù)負荷 的壽命為0,000次循環(huán)。然而，熱敏電阻器在用來防護沖擊電流時， 電源通入后，電阻上通過的電流 會達到最大允許電流的1020倍，所以功率循環(huán)的耐用期也會縮短。壽命判定電阻值隨時間的推移而發(fā)生變化，其變化率超過規(guī)定值時，壽命即告終止。熱敏功率電阻在用來防護 沖擊電流時，電阻值會逐漸變大。表3列出了熱敏電阻壽命性能規(guī)格。表3熱敏功率電阻器的壽命性能項目規(guī)格條件斷續(xù)負荷壽命電阻變化率士 10%常溫常濕，外加最大允許電流1,000小時，反復進行1分鐘ON 5分鐘OFF的 循環(huán)連續(xù)負荷壽命電阻