基于故障樹的某電源模塊可靠性

宋志宇

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川省綿陽(yáng)市 621000）

可靠性的概念是由德國(guó)人在二戰(zhàn)時(shí)期研究改進(jìn)他們的V系列火箭而引入來的，由此之后，世界上對(duì)于可靠性的研究討論越來越多，可靠性有了巨大的發(fā)展。在軍用裝備上，可靠性要求越來越高，尤其是在發(fā)生了例如美國(guó)航天飛機(jī)爆炸這類事件之后，全世界對(duì)可靠性的要求程度達(dá)到空前的重視。經(jīng)過不斷的實(shí)踐認(rèn)識(shí)，可靠性逐漸的由一個(gè)普通的概念轉(zhuǎn)化成了一門新興的學(xué)科，這門學(xué)科由最初的定性分析發(fā)展到如今的定量分析，可見對(duì)可靠性的研究勢(shì)在必行。

故障樹分析法則是由貝爾實(shí)驗(yàn)室于1961年首先提出的，它是一種圖形演繹方法，將最不希望發(fā)生或故障發(fā)生后將導(dǎo)致災(zāi)難性后果的故障作為分析目標(biāo)，通過對(duì)可能造成系統(tǒng)故障的各種因素進(jìn)行羅列分析，將系統(tǒng)故障與造成該故障的因素有機(jī)的聯(lián)系在一起，更能明確的定量分析其系統(tǒng)的可靠性。

在大型電子設(shè)備的應(yīng)用過程中，由于各分系統(tǒng)對(duì)電源的需求不同，需要將電源進(jìn)行轉(zhuǎn)化以滿足系統(tǒng)要求，電源模塊在其中就起到重要作用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電源模塊發(fā)生的故障，有的放矢的改進(jìn)薄弱環(huán)節(jié)可以更加高效的提高電源模塊可靠性，從而保障大型電子設(shè)備的正常運(yùn)行。

1 FTA分析步驟

故障樹分析時(shí)應(yīng)遵循的幾個(gè)步驟：

（1）定義系統(tǒng)，原則上將有概率發(fā)生但不希望發(fā)生的故障作為故障樹的頂事件；

（2）根據(jù)已發(fā)現(xiàn)或潛在故障分析造成該故障的原因；

（3）根據(jù)故障由上至下畫出故障樹邏輯圖；

（4）對(duì)故障樹的結(jié)構(gòu)開展定性分析。分析事件的結(jié)構(gòu)重要度，應(yīng)用布爾代數(shù)對(duì)故障樹進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，尋找最小割集，找出薄弱環(huán)節(jié)；

（5）根據(jù)可靠性預(yù)計(jì)方法計(jì)算出元器件在使用環(huán)境下的失效率，對(duì)故障樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析。

2 結(jié)構(gòu)函數(shù)

故障樹是由該樹的所有底事件通過“交”、“并”的邏輯方式構(gòu)成的，無論我們想要對(duì)故障樹開展定性還是定量的分析，均需要將其進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)，即結(jié)構(gòu)函數(shù)。

系統(tǒng)功能的喪失可以看作故障樹的頂事件，系統(tǒng)各個(gè)組件功能的喪失可以看作故障樹的底事件。若系統(tǒng)功能及系統(tǒng)組件只考慮成功或者失效兩種狀態(tài)，那么底事件可以定義為：

如果用P來表示一定時(shí)間系統(tǒng)的狀態(tài)，那么我們可以得到系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間段的函數(shù)表達(dá)式為P=（X1，X2，……Xn）。那么，P（Xi）就是該故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)，其運(yùn)算符合布爾運(yùn)算規(guī)則。

若構(gòu)成該系統(tǒng)的組件數(shù)為n，則我們可以得到：

（1）與門結(jié)構(gòu)函數(shù)

（2）或門結(jié)構(gòu)函數(shù)

圖1：電源模塊無輸出故障樹

圖2：電源模塊輸出異常故障樹

3 故障樹分析

為明確事件發(fā)生的可能性，我們需對(duì)故障樹進(jìn)行定性分析，上一層級(jí)故障的原因稱作上層故障的底事件。某幾個(gè)底事件的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致上一層級(jí)故障的發(fā)生，則這幾個(gè)底事件的集合我們稱之為割集。相反，系統(tǒng)不發(fā)生故障的底事件的集合我們稱之為路集。

當(dāng)一個(gè)割集包含有最小數(shù)量且最必需底事件的割集我們成為最小割集，則所有最小割集的完成集合就包含了給定系統(tǒng)的全部故障模式。因此，最小割集就能描述處于故障狀態(tài)的系統(tǒng)可能會(huì)修理的故障，它指出了系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

當(dāng)通過定性分析確定了系統(tǒng)故障的最小割集后，我們就需要對(duì)故障樹進(jìn)行定量分析，根據(jù)構(gòu)建的故障樹我們能應(yīng)用邏輯與、邏輯或的結(jié)構(gòu)函數(shù)清晰的定量地評(píng)定頂事件出現(xiàn)的概率。

4 某電源模塊要求

某電源模塊要求如下：

（1）輸入電壓范圍：+22V～+32V；

（2）輸出電壓及電流指標(biāo)：+5V/4.5A，+5V/6A，+12V/3.5A，-5V/0.1A，+28V/0.5A，+160V/0.05A。

5 邊界定義

在本次故障樹分析（FTA）中，不考慮電源模塊外部輸入導(dǎo)致的故障，僅分析電源模塊的硬件故障模式，將故障定位隔離到功能電路。

6 故障判據(jù)

故障模式是進(jìn)行FTA分析的基礎(chǔ)，我們通常將一個(gè)產(chǎn)品或者是產(chǎn)品的某一部分不能按規(guī)定完成相對(duì)應(yīng)的功能的情況叫做故障。它的表現(xiàn)形式多種多樣，例如短路、斷裂、過度磨損等等。我們想要了解故障，就必須知道故障的判別標(biāo)準(zhǔn)，也就是我們通常所說的故障判據(jù)，只有這樣我們才能真正的知道產(chǎn)品出現(xiàn)的不正常情況是不是該產(chǎn)品的故障。

電源模塊的故障判據(jù)為電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常，故障判據(jù)表見表1。

7 故障原因

故障判據(jù)即故障模式僅僅是敘述了產(chǎn)品發(fā)生怎樣的故障，并沒有說出發(fā)生這些故障的原因，為了更好的提升產(chǎn)品的可靠性，我們還需要對(duì)發(fā)生這些故障的緣由進(jìn)行追溯，這就是我們需要對(duì)故障進(jìn)行的故障原因分析。一般來說，我們分析故障原因可以從以下兩方面著手：

（1）直接原因：直接導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生故障的物理、化學(xué)以及生物變化的過程；

（2）間接原因：由其他故障引起，或者是環(huán)境的影響，又或者是人為因素的干預(yù)。

根據(jù)電源模塊的故障判據(jù)，通過對(duì)設(shè)備本身的潛在缺陷以及導(dǎo)致故障發(fā)生的直接或間接原因得出電源模塊故障原因如下：

電源模塊無輸出故障原因包含：+5V/4.5A無輸出，+5V/6A無輸出，+12V/3.5A無輸出，-5V/0.1A無輸出，+28V/0.5A無輸出，+160V/0.05A無輸出；

電源模塊輸出異常故障原因包含：+5V/4.5A輸出異常，+5V/6A輸出異常，+12V/3.5A輸出異常，-5V/0.1A輸出異常，+28V/0.5A輸出異常，+160V/0.05A輸出異常。

8 頂事件定義及描述

根據(jù)電源模塊的功能及工作原理，電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常作為本次故障樹分析的頂事件。

9 故障樹建造

根據(jù)電源模塊的功能、工作原理、系統(tǒng)框圖、故障模式影響及危害性分析（FMECA）、結(jié)構(gòu)、邊界和環(huán)境條件，確定電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常為頂事件，嚴(yán)格按層次由上至下進(jìn)行故障因果邏輯分析，逐層找出故障事件的必要而充分的直接原因，最終找出導(dǎo)致電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常的所有原因和原因組合。建造某電源模塊故障樹如圖1、圖2所示。

10 故障樹定性分析

由以上故障樹分析可知，電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常的故障樹均為單調(diào)故障樹，引起故障的各功能電路均為“或門”關(guān)系，任何一個(gè)底事件的發(fā)生都有一定的概率導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，因此每個(gè)底事件都是一個(gè)最小割集。電源模塊無輸出故障樹最小割集見表2，電源模塊輸出異常故障樹最小割集見表3。

11 故障樹定量分析

根據(jù)電源模塊可靠性預(yù)計(jì)和故障模式影響及危害性分析（FMECA）的結(jié)果，電源模塊中各功能電路：+5V/4.5A，+5V/6A，+12V/3.5A，-5V/0.1A，+28V/0.5A，+160V/0.05A的概率重要度經(jīng)計(jì)算匯總見表4。

Q(總)=58.19×10-6/h

12 結(jié)束語

表1：故障判據(jù)表

表2：電源模塊無輸出故障樹最小割集

表3：電源模塊輸出異常故障樹最小割集

表4：故障樹定量分析匯總表

本文通過故障樹定性分析找出了頂事件電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常的所有最小割集，分別詳見表2和表3；并對(duì)各功能電路的概率重要度進(jìn)行了分別計(jì)算，詳見表4。分析結(jié)果總結(jié)如下：

根據(jù)故障樹分析，故障樹的所有邏輯門皆是或門，每一個(gè)底事件就是一個(gè)最小割集，每一個(gè)底事件的發(fā)生都會(huì)以一定概率造成頂事件的發(fā)生。通過對(duì)故障樹的定性分析，我們能夠快速的定位故障位置，采取相應(yīng)措施保障設(shè)備正常運(yùn)行。

根據(jù)相對(duì)概率重要度可以有針對(duì)的對(duì)電源模塊進(jìn)行改進(jìn)及設(shè)計(jì)優(yōu)化，例如采取提高元器件質(zhì)量、加強(qiáng)質(zhì)量控制以及對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)等手段提高電源模塊可靠性水平，從而提高大型電子設(shè)備的可靠性水平。