虽然电源乍一看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件，因为任何电源故障将导致系统停止运行。其性能不佳会影响特定产品的质量。因此，系统设计人员非常担心直接电源故障和性能不佳。换句话说，电源的可靠性在任何系统中都是至关重要的。
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主要区别，如 CUI 题为“电源可靠性注意事项”的白皮书中所述。 ¹ 它还将讨论 CUI 等制造商如何通过改进设计、组件选择和制造工艺来提高可靠性。一些示例将说明供应商如何将公司制造的AC/DC和DC/DC转换器模块集成并指定这些模块做法。
可靠性和故障
在了解提高供电可靠性的过程之前，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电源在给定时间内正常运行的概率。故障率是指在给定时间单位内发生故障的单元的百分比。如图1所示，它遵循一条“浴缸”曲线，被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部件质量差造成的，但第二阶段是使用寿命，它可以保持较低的故障率并保持稳定，以保持电源在较长时间内正常运行。在磨损阶段，即第三个也是最后一个阶段，当其组件达到使用寿命时，电源就会出现故障。
图 1：如图所示，故障率分为三个关键阶段：婴儿死亡率、使用寿命和磨损（由 CUI 提供）。虽然准确预测特定转换器将在所需的规格内运行多长时间或在多少小时后将出现故障尚存在争议，但 CUI 建议使用概率技术来确定电源的预期寿命或故障。白皮书称，供应的可靠性取决于多种因素。其中关键是具有足够利润的合理设计、元件质量、散热考虑、老化和制造工艺。该公司使用以下公式计算组件可靠性：
从本质上讲，组件选择对于电源的整体可靠性至关重要。因此，建议必须使用本质可靠的组件，以显着降低故障风险。例如，根据CUI的经验，电容器是电源中常见的故障点，因此更持久的电容器有助于提高产品可靠性。然而，它确实增加了总体成本，因为优质组件的成本更高。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组件。例如，额定在 85°C 下可靠运行的组件在 55°C 下使用时性能将显着提高。通常，温度每降低 10°C，元件寿命就会增加一倍（图 2）。
图 2：温度对预期组件寿命的影响（由 CUI 提供）。 br》此外，CUI推荐了三种确定故障率的方法。其中包括预测、评估和观察。参考白皮书中对每种方法进行了更详细的讨论。使用以下标准数据库之一预测组件故障率和预期寿命。它们是 MIL-HDBK-217（美国海军）、HRD5 (BT) 和 Telcordia（以前称为 Bellcore）。由于MIL-HDBK-217专注于军事和商业应用并产生MTBF数据，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) 和平均无故障时间 (MTTF)。因此，根据全球营销副总裁 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，施纳贝尔补充道，“MTBF 通常用于维修后恢复使用的设备。” “尽管有常见的假设，”施纳贝尔继续说道，“它并不能保证最短的故障间隔时间，而只是一个平均值。”对于 CUI 营销主管来说，MTBF 是行业中的标准衡量标准。
虽然了解 MTBF 在特定温度范围内的表现很有帮助，但电源制造商更愿意指定 25°C 下的 MTBF。 Schnabel 表示，“CUI 通常在设计和测试期间不仅在室温下评估 MTBF，而且可以根据要求共享此信息。” Schnabel 指出，典型的和/或良好的 MTBF 取决于应用。通用交流/直流壁式适配器的额定寿命通常约为 100,000 小时以上，而用于电信应用的直流/直流适配器的额定寿命将超过 100,000 小时。 “部分原因是壁式适配器很容易更换，而焊接到主板上的 DC/DC 转换器则无法轻松更换，而且更换成本可能非常昂贵，”Schnabel 断言。此外，一些产品，如医疗设备，由于患者的健康和安全，而不是成本和更换的方便性，需要更高的 MTBF，Schnabel 说。以CUI的365W AC/DC系列VMS-365为例。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，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 转换器的额定值要高得多。例如，根据 MIL-HDBK-217F 方法，1 W DC/DC PDS1-M 系列在 25°C 下的最低额定值为 350 万小时；而高达 20W 系列的 PYB20 在 25°C 下的最低额定值为 350 万小时，根据 MIL-HDBK-217F 提供至少 100 万小时。
三种压力
此外，本文还重点介绍了在电源寿命中发挥重要作用的三种应力：热应力、机械和电气。 CUI 解释说，良好而稳健的设计会考虑这些压力中的每一个，并采取适当的措施来尽量减少它们的发生和影响。虽然热应力是最具挑战性和危害性的，因为它以多种不同的方式发生，但机械应力的影响取决于电源在终端设备中的安装和使用方式和位置。同样，当组件超出其额定规格运行时，就会产生电应力。例如，电容器的额定电压可能为 100 VDC，但在运行期间会在电路中经历 150 VDC 的电压尖峰，并且由于电路瞬变或外部 ESD，指定可处理高达 1A 电流 电阻器 将经历更高的电流脉冲事件。在许多情况下，其结果是过早衰老和早期失效。
因此，白皮书强调稳健的设计，考虑负载和线路瞬态以及噪声的影响。这意味着优秀的设计师会仔细建立组件参数所需的最小/最大值，以确保可靠运行。此外，CUI 建议使用 Spice 等模拟程序，使用组件、印刷电路板和互连的真实模型来验证电源电路。静态和动态性能。最后，公司强调布局对于实现可靠供应的作用。它建议使用短互连来最大限度地减少电压降，并根据输出电流使用超厚的铜包层或母线。提高可靠性的另一个技巧是使用大电路板来放置元件和电流，并为通孔使用足够的尺寸和电镀层。
CUI 总结道，除了坚固的设计和正确的组件选择之外，高可靠性电源还必须采用良好的组装和制造工艺，不得损害设计或组件。综上所述，可靠的电源是设计与分析、元件、制造工艺、老化测试和安装等因素的综合。没有一个步骤可以确保可靠的供应。
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