電源設備可靠性的研討
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本文所研討的可靠性問題，適用于幾乎所有的電子系統和機電一體化設備。電源設備尤其是交流電源設備，作為電子系統的基礎部件，長期、穩定地保持正常工作能力尤為重要。美國貝爾實驗室的研究報告指出：造成計算機等精密電子設備損壞的主要原因是電壓的浪涌（surge），即短期（10ms左右）或長期的過電壓，占全部損壞原因的45.3％。雷擊占9.4％。引起設備工作不正常和誤碼的主要原因是電壓過低（含短期脈動）（sags）占87％，以及脈沖尖峰干擾占9％。因而，世界上許多著名的制造商均有嚴格的場地供電標準，責成用戶予以保證。
本文引用地址：http://www.104case.com/article/179312.htm近年來，電源設備日趨復雜，元器件的品種和數量增加很快；使用環境也變得惡劣多樣；而所服務的電子系統又越來越重要和昂貴。以交流參數穩壓電源為例，已廣泛地應用于車載、艦載、地面的軍用裝備，航空航天部門，鐵路和交通的信號和通信系統等方面。電源需要日夜不停地連續運行，還要經受高、低溫，高濕，沖擊等考驗。運行中往往不允許檢修，或只能從事簡單的維護。這一切就使得電源設備的可靠性研究，變得刻不容緩，十分重要了。其實，早在上世紀70年代，英國電氣工程師學會發表的論文就指出：在提供軍事通信的英國天網系統的設計研制中，中心課題首先是可靠性！
國際上，通用的可靠性定義為：在規定環境條件下，和規定的時間內，完成規定功能的能力。此定義適用于一個系統，也適用于一臺設備或一個單元。由于故障出現的隨機性質，用數學方式來描述可靠性，常用“概率”來表示。
從而，引出可靠度[R（t）]的定義：系統在規定環境條件下和規定時間內，完成規定功能的概率。
例如：對N個產品進行試驗，每經過Δt的時間間隔檢查一次，每次出故障的產品數為ni，則在T時間內的可靠度R（t）為：
R（t）=[（N－）/N]，可近似為：
R（t）=（N－）/N
R（t）的數值范圍為：0≤R（t）≤1。R（t）的值越接近于1，則表示可靠性越高。如系統有N個單元組成（串聯方式），各單元的R（t）分別為R1（t），R2（t）……RN（t），則整個系統的RΣ（t）=R1（t）·R2（t）…RN（t）?？梢?，系統越復雜，可靠性越差。
1影響系統可靠性的因素
涉及系統可靠性的因素很多。目前，人們認識上的主要誤區是把可靠性完全（或基本上）歸結于元器件的可靠性和制造裝配的工藝；忽略了系統設計對于可靠性的決定性的作用。據美國海軍電子實驗室的統計，整機出現故障的原因和各自所占的百分比如表1所列：
lim
Δt→0
N→∞
表1整機故障原因統計
| 故障原因 | 占總失效數的（％） |
|---|---|
| 設計上的原因元器件質量上的原因操作和維護上的原因制造上的原因 | 40302010 |
2衡量系統可靠性的指標及其數學關系
2?1失效率λ
λ定義為：該種產品在單位時間內的故障數。即：
λ=dn/dt
相對于每一個依然正常工作的樣品的失效率，
λ=(1/NS)·dn/dt
式中：NS為總試驗品N，經過Δt時間以后，依然正常工作的樣品數。
工程上，采用近似式。如果在一定時間間隔（t1－t2）內，試驗開始時的正常工作的樣品數為ns個，而經過（t1－t2）后出現的故障樣品數為n個，則這一批樣品中對于每一個正常樣品的失效率λ為：
λ=n/[ns(t1－t2)]
失效率λ的數值越小，則表示可靠性越高。λ可以作為電子系統和整機的可靠性特征量，更經常作為元器件和接點等的可靠性特征量。其量綱為[1/h]。國際上常用[1/109h]稱為[fit]，作為λ的量綱。
例如，美國GE公司97F8000系列用于交流電源的金屬化薄膜電容器的工作壽命為：100只電容器在工作60000h以后，95只電容器正常，5只電容器此期間有可能出現故障。則：
λ=n/〔ns(t1－t2)〕
代入ns=100，n=5，（t1－t2）=60000h，則有：
λ=0.83·10－6/h=830[fit]。
美國1974年頒布的標準工作條件下的元器件基本失效率如表2所列（供參考）。
2?2平均無故障工作時間MTBF
MTBF的定義為：電子系統無故障工作時間的平均值。
對于一批（N臺）電子系統而言：
MTBF=ti/N[h]
式中：ti—第i個電子系統的無故障工作時間[h]；
N—電子系統的數量。
工程上，如一臺整機，在試驗時，總的試驗時間為T，而出現了n次故障。出現故障進行修復，然后再進行試驗（維修的時間不包括在總試驗時間T內）。則：
MTBF=T/n[h]
MTBF數值越大，則表示該電子系統可靠性越高。MTBF的參考數據如表3所列：
表3MTBF的參考數據
| 電子系統名稱 | MTBF/(h) |
|---|---|
| 1978年集成彩色電視接收機（國際水平） | ≥2000 |
| 阿波羅宇宙飛船電子計算機 | (2～2.5)×104 |
| 英國天網衛星系統 | 1000 |
| 美國“泰康”遠程導航設備（20世紀80年代） | 150 |
| Simods數字頻率合成器 | 10×104 |
T=60000h，100只受試電容共出現5只有故障，那么對于每只電容器來講：
MTBF=100T/n=120×104h。
在此，必須明確不論是失效率λ，還是平均無故障工作時間MTBF，均為衡量設備或元器件可靠性的“概率”性的指標。切不可誤解為對于上述電容器每只可以工作120萬h以后才會出現故障。具體到某一只電容器，也可能一用就壞，更大的可能是工作60000h以后還是很正常。
2?3平均維修時間MTTR
MTTR的定義為：系統維修過程中，每次修復時間的平均值。即：
表2美國1974年頒布的標準工作條件下元器件失效率
| 元器件類型 | λ（fit） | |
|---|---|---|
| 電阻器 | 固定薄膜 | 4 |
| 合成電位器 | 138 | |
| 線繞電位器 | 167 | |
| 電容器 | 紙介 | 70 |
| 鋁電介 | 117 | |
| 可變陶瓷 | 393 | |
| 繼電器 | 6 | |
| 半導體二極管 | 硅 | 20 |
| 齊納 | 18 | |
| 半導體三極管 | 鍺PNP | 56 |
| 鍺NPN | 140 | |
| 硅PNP | 63 | |
| 硅NPN | 33 | |
表4國際通信衛星系統有關R（t）參考數據
| 電子系統名稱 | R(t)/(％) | |
|---|---|---|
| 國際通信衛星Ⅲ號 | 地面站 | 99.7 |
| 天線 | 93.5 | |
| 電源 | 94.2 | |
| 國際通信衛星Ⅳ號轉發器電子設備 | 連續工作2個月時 | 99.9 |
| 連續工作7年后 | 79.0 | |
| 供電系統國際水平 | 99.95 | |
MTTR=ti/M[h]式中：Δti—第i次的修復時間[h]。
M—修復次數。
任何設備無論如何可靠，永遠存在著維修的問題。所以MTTR總是越小越好。因而，實現方便快捷的維修或不停機維修有著重大的價值。
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