開關(guān)電源壽命評估

1、開關(guān)電源壽命評估第 1 節(jié) 開關(guān)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; constant 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 ; increas

2、ing failure 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(yīng)明確限定期望壽命，并檢測設(shè)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(shè)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)。必要壽命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

3、/天荷 4.200h最小額定負荷2h/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= 16.244h16.244h0.2fax額定負荷1最小額定負荷2h/天x 365 天/年x7 年= 5.1

4、10h5.500h最大額定負荷（24h/ 天 x 365 天/ 年 x7 年）最小額定負荷0.15.110h=56.210h電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(yīng)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(yīng) 力成函數(shù)關(guān)系，其中更以熱應(yīng)力為主。從機器壽命設(shè)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(yīng)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

5、和薄膜電容器等半導(dǎo)體部件不接觸強應(yīng)力，壽命極長，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10c，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(guān)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 710年的壽命，但電源通斷（能量循環(huán)）時 產(chǎn)生的物理應(yīng)力、熱應(yīng)力會導(dǎo)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

6、必要將回路部件壽命等因素也一并考慮進 去。 光電耦合器 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(guān)多數(shù)開關(guān)電源設(shè)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(dǎo)致開關(guān)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(guān)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(shè)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(dǎo)致電阻熱疲勞，引

7、起斷路。處在相同情況下的熱敏功率電阻器也會發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象。四 壽命測試4.1 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

8、格限制故障標準，從嚴判定故障。 提高測試時的應(yīng)力值，或者增加重復(fù)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(yīng)力超過預(yù)計， 則有可 能導(dǎo)致判斷失誤。需要注意的是：設(shè)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(shè)計失誤及 漏洞。電源機器的設(shè)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(guān)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.

9、2 故障類型與故障構(gòu)成有關(guān)壽命的故障類型是指部件故障的外在表現(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(xué)、 原子分子的層面 上看，部件發(fā)生故障的原因是什么。關(guān)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(guān)系理清。 圖 2 標明了二者間 的關(guān)系。4.3 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。加速要求 壽命加速的允許范圍是指能夠保證隨著應(yīng)力的增強，

10、故障結(jié)構(gòu)不變，而特性值變化的形式、故 障時間的分布、平均壽命和故障率等發(fā)生規(guī)則變化的條件。應(yīng)力如果過強，則會導(dǎo)致其它的劣 化現(xiàn)象，所以應(yīng)留意應(yīng)力值的設(shè)定。432劣化反應(yīng)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(yīng)而發(fā)生劣化。設(shè)特性值為©，反應(yīng)速度為k, k與©的關(guān)系如下：df( © )/dt=k(1)因此，f( © )=kt(2)假設(shè)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 = k/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=

11、2/t/ 0 t(4)但，/ t = t - tn0 t=t - tn0r二(t tn ln2) /bb:相應(yīng)的活性化能源除以玻耳茲曼常數(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。)tn標準溫度。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(guān)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2/31/24.3.3 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(shè)定。如圖 3 所示，由 5 種測試組成。4.3.4 高溫斷續(xù)測試的要求 諸如繼電器、開關(guān)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

12、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(fù)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。實際操作時需要重復(fù)循環(huán) 5 ， 00010， 000 次。環(huán)境溫度：5080c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。4.3.5 高溫連續(xù)壽命測試的要求環(huán)境溫度：5080c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

13、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1015c，即3540c。當然，特殊用途的電源不在此限。電源的期望壽命平均為 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(shè)定環(huán)境溫度前,有必要了解裝置的溫度上限?？刹捎盟^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

14、先獲悉其壽命值,并且在進行測試時,確保基本上不超過其溫度上限。例如，設(shè)t=75c，則由（5）式可得l=2,500小時。4.3.6 高溫高濕測試針對金屬部件的腐蝕、 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： 40 50c相對濕度： 90 95%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。4.3.7 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(yīng)力,從而導(dǎo)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

15、：環(huán)境溫度：高溫 50 60c常溫 25 c低溫 510c將測試用電源放入上述三個恒溫箱中各 510 小時,重復(fù)高溫常溫低溫常溫高溫的循環(huán)3050次。檢測項目：一般性能、振動測試和外觀檢查。五 部件的壽命評估5.1 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 3)、漏電流等。隨著時間的推移，靜電容量減少，tan 5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

16、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(guān)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(guān)系。在這里，l仁溫度t1時的壽命6)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

17、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。5.2 光電耦合器gaas系的紅外發(fā)光二極管多使用光電耦合器。這種發(fā)光二極管的發(fā)光效率的退化會導(dǎo)致ctr（電流傳達率）下降，其它的 ctr劣化形式還有芯片面的光結(jié)合樹脂剝離。溫度越高，p8ctr的下降也越快。同時，二極管電流越大，ctr下降也越快。圖6、圖7標明了這些因素間的關(guān)系。ctr降至起始值的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

18、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。5.3 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(dǎo)致轉(zhuǎn)數(shù)下降，噪音增大，加快了壽命的終結(jié)。關(guān)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dc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9標出了風扇的壽命的特性值。另外，dc風扇

19、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）。5.4半導(dǎo)體壽命性能阿列里烏斯反應(yīng)速度公式同樣適用于半導(dǎo)體的壽命。根據(jù)上面提到過的（4）式，壽命l與溫度t之間有如下關(guān)系：a: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 氧化膜缺陷 離子性偏移 長時常數(shù)陷阱 電致徒動斷路 金屬腐蝕 金屬間化合物 生成活性化能量0.3 0.4ev0.7 1.3ev1.0ev0.6 1.0ev0.5 0.7ev0.5 0.7ev圖10表示了將tj=125 c時的壽命設(shè)為1之后，

20、相對壽命與溫度 之間的關(guān)系，大致反映了半導(dǎo)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(shè)計時，應(yīng)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 5.5電阻器電阻的穩(wěn)定性高，故障率為1fit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

21、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(guān)的循環(huán)而發(fā)生熱疲勞，導(dǎo)致斷路。浪涌電力、持續(xù)時間和循環(huán)次數(shù)成以下關(guān)系。帶負荷的衰減波形的耐浪涌特性如圖 13所示。將最大的第一波形的峰值電壓（vp）代入（7） 式，可得vrms,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。該曲線的內(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。r: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

22、阻 值上的波形照片中獲得。5.6 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7090 c,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 10,000 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(fù)進行1分鐘on 5分鐘off的 循環(huán)連續(xù)負