基于GJB/Z 299C 的組合DC- DC 電源可靠性預(yù)計的工程研究

彭 楊

（合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽合肥 230009）

引言

DC-DC 電源模塊是一種運用功率半導(dǎo)體開關(guān)器件實現(xiàn)DC-DC 功率變換的開關(guān)電源。近年來，隨著市場需求的不斷提高和國防技術(shù)的不斷進步，DC-DC 電源模塊在計算機、工業(yè)儀表、雷達、衛(wèi)星等設(shè)備上的應(yīng)用越來越廣泛。組合DC-DC 電源在實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的同時還具有輸入輸出隔離的功能，除此之外，組合DC-DC 電源憑借其功耗小、效率高、體積小、自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化等優(yōu)點，在郵電、通信、電力、煤礦、航空航天、軍工等領(lǐng)域有著極其廣闊的發(fā)展前景[1-4]。

目前制約組合DC-DC 電源應(yīng)用的瓶頸之一就是可靠性，可靠性預(yù)計是可靠性工作中的關(guān)鍵步驟，可靠性預(yù)計的目的是為了能夠定量地分析設(shè)計產(chǎn)品在給定工作條件下的可靠性水平高低以及研發(fā)過程中出現(xiàn)的缺陷問題，可靠性預(yù)計是方案擇優(yōu)、改進設(shè)計，確保產(chǎn)品滿足可靠性指標要求的不可缺少的技術(shù)手段。該研究起源于20 世紀50 年代，經(jīng)過70 年左右的發(fā)展，應(yīng)用于電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計的方法已經(jīng)趨于成熟。文獻[5]基于GJB/Z299C，采用應(yīng)力分析法對智能電能表的關(guān)鍵元器件進行可靠性預(yù)計，并設(shè)計了可靠性信息輸入表，簡易方便的特性讓它在企業(yè)中已經(jīng)實現(xiàn)；基于元件層級和電源可達性，建立等效負荷故障后果模式列表，再采用蒙特卡羅模擬算法統(tǒng)計停電故障計算配電網(wǎng)可靠性指標。該方法在確保準確性的基礎(chǔ)上提升了可靠性計算的速度，適用于復(fù)雜配電網(wǎng)中；建立了器件短時停運率模型，結(jié)合場景分析法對微電網(wǎng)運行可靠性進行評估，相比傳統(tǒng)的評估方法更加準確，但是評估的器件較少；基于FLN 網(wǎng)對含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性進行分析，該方法雖然預(yù)測精度較高，但是整體復(fù)雜，難以應(yīng)用到實際工程中；均采用故障樹法對不同系統(tǒng)進行可靠性分析，其中對線性時間算法進行改進，去除了故障樹中的冗余信息，從而減少大型故障樹分析的計算時間和內(nèi)存消耗；除此以外，最新的進展如提出的一種基于隱圖解評審技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模型來進行系統(tǒng)可靠性預(yù)計和評估的方法，該方法可計算出系統(tǒng)由初始完好狀態(tài)劣化至任意狀態(tài)間性能退化量的期望，進而對裝備可靠性水平進行預(yù)計并安排檢修。如同文獻[5]中所述，應(yīng)力分析法是在大量的實驗中統(tǒng)計并分析得出的可靠性預(yù)計方法，其預(yù)計結(jié)果更符合元器件的實際預(yù)計情況。因此，在國內(nèi)電子行業(yè)中，基于GJB/Z299C 所提出的應(yīng)力分析法應(yīng)用最為廣泛。本研究利用此方法對組合DC-DC 電源進行可靠性預(yù)計，可找出電源的薄弱環(huán)節(jié)、挑選合適的元器件、優(yōu)化電源的設(shè)計方案，從而提高系統(tǒng)可靠性，滿足市場和國防的需要。

基于上述考慮，本研究對組合DC-DC 電源采用基于GJB/Z299C 所提出的應(yīng)力分析法進行可靠性預(yù)計。通過分析計算組合DC-DC 電源內(nèi)各器件的失效率，得到電源在不同工作環(huán)境下可靠性預(yù)計值，對準確預(yù)計實際情況下的電源壽命提供理論支撐，為實際工程中產(chǎn)品方案擇優(yōu)、改進設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，推動組合DC-DC 電源在軍工等領(lǐng)域的可靠性工程應(yīng)用。

1 組合DC-DC 電源設(shè)計

1.1 組合DC-DC 電源要求

組合DC-DC 電源的輸入輸出特性見表1。

表1 組合DC-DC 電源的輸入輸出特性

電源輸入電壓為270 V±10%，輸出功率為17.2 kW。輸出共七路，分別由四路+48V85A、一路+28V30A、一路+5V5A 和一路-5V1A 構(gòu)成。電源正常工作時溫度區(qū)間為-40 ℃～+70 ℃，可以實現(xiàn)48 V電源外接輸入控制和故障檢測等功能。

1.2 組合DC-DC 電源工作原理

組合DC-DC 電源由四路48V85A 模塊、一路28V30A 模塊、一路+5V5A 模塊、一路-5V1A 模塊和故障檢測模塊組成。其中，電壓輸出模塊包括輸入保護電路、輸入濾波電路、DC/DC 變換電路、輸出濾波電路四部分，共同實現(xiàn)降壓功能。組合DC-DC 電源的原理框圖見圖1。其中，四路48V85A 模塊通過主線并聯(lián)輸出。每路48V85A 模塊從主線上采集270 V 電壓，在控制系統(tǒng)的監(jiān)測下，由三條并聯(lián)的降壓電路降壓至48V，通過濾波電路輸出響應(yīng)。28V30A 模塊與主線直接相連，該模塊由270 V 電壓輸入，然后降壓至28 V并通過濾波電路分兩路輸出，一路輸出28 V 電壓，一路為其他模塊提供電能。+5V5A、-5V1A 模塊由28V30A 模塊提供電能，通過輸入保護電路、輸入濾波電路、DC/DC 變換電路、輸出濾波電路，達到穩(wěn)定輸出電壓與電流的目的。故障檢測模塊以28V30A 模塊為輔助電源，從各電路的輸出中采樣，分析電壓電流等參數(shù)，判斷電路工作狀況，最后由RS422 通信接口輸出相應(yīng)信號，以此實現(xiàn)電源的故障檢測功能。

圖1 組合DC-DC 電源的原理框圖

2 組合DC-DC 電源的可靠性預(yù)計

2.1 可靠性框圖

組合DC-DC 電源的基本可靠性模型可以估計該電源中組成部件可能發(fā)生故障所引起的維修及保障要求的可靠性模型。當五個組成部件中任何一個發(fā)生故障時，整個電源就會發(fā)生故障，影響整個電源的性能，這是一個典型的串聯(lián)可靠性模型，其可靠性框圖見圖2。

圖2 組合DC-DC 電源的可靠性框圖

組合DC-DC 電源的工作失效率為各部件工作失效率之和，每個部件的工作失效率是組成該部件的所有元器件工作失效率之和。值得一提的是，并聯(lián)的48 V 電路是為了組合輸出4 路48V85A 的功率，沒有并聯(lián)冗余功能，對組合DC-DC 電源來說，即使當器件同時發(fā)生故障時，仍屬于串聯(lián)失效模型。為此采用普通概率法建立基本可靠性數(shù)學(xué)模型：

其中，Rs(t)表示電源的可靠度；Ri(t)表示部件的可靠度；n 表示組成系統(tǒng)的部件數(shù)量。假定所有的部件壽命均服從指數(shù)分布，則電源的可靠度可由下式計算：

進一步對各部件的內(nèi)部元器件進行分析，各部件的組成參數(shù)，如元器件類型、數(shù)量、質(zhì)量等級、環(huán)境因素、應(yīng)力系數(shù)、溫度系數(shù)等在表2 中給出，則部件的可靠度可由其內(nèi)部各元器件的可靠度相乘得到，同理，假定所有的元器件壽命均服從指數(shù)分布，得到部件可靠度表達式：

表2 組合DC-DC 電源的部分元器件匯總

其中，Rp(t)表示元器件的可靠度；λp表示元器件工作失效率。從公式中可以看出，工作失效率越高，可靠度越低，部件的失效率為所有元器件工作失效率之和。

2.2 元器件失效率估計

針對各部件內(nèi)的多種元器件，通過表3 展示出基于GJB/Z299C-2006 手冊提供的各類元器件可靠性預(yù)計模型。

表3 基于GJB/Z299C-2006 的元器件預(yù)計模型

由于實際工作環(huán)境的復(fù)雜性，本研究挑選了五種不同工作環(huán)境的可靠性預(yù)計值進行定量計算，包括地面良好（GB）、惡劣地面固定（GF2）、運輸機無人艙（AUC）、艦船艙外（NU）和導(dǎo)彈發(fā)射（ML），圖3 展示了在五種工作環(huán)境中組合DC-DC 電源各元器件的工作失效率情況，工作失效率越小則代表該元器件的使用壽命越久。對比圖中地面良好，惡劣地面固定和其他三種工作環(huán)境下各元件工作失效率可以發(fā)現(xiàn)，相同元器件在不同環(huán)境中有著顯著的差異。地面上器件的失效率明顯低于其他環(huán)境，尤其是地面良好的環(huán)境下，而在導(dǎo)彈發(fā)射、艦船艙外、運輸機無人艙的工作環(huán)境中，元器件易受腐蝕、磨損等因素影響，因此失效率偏高。值得注意的是，在運輸機無人艙環(huán)境中，瓷片電容和光耦的失效率高于其他工作情況。在相同工況下，各元器件的工作失效率也具有明顯的差異，晶振、光耦、變壓器的失效率相比于其他元器件屬于可靠性較高的水平。在地面良好情況下，晶振的失效率是電阻失效率的80 倍，鋁電解電容的失效率約為瓷片電容的13 倍。另外，電感在導(dǎo)彈發(fā)射工況下的失效率比地面良好工況下的晶振失效率要高，這表現(xiàn)出工作環(huán)境對器件失效率有著深刻的影響?？傮w來看，對組合DC-DC 電源部件進行分析并研究各元器件的失效率具有深刻的指導(dǎo)意義，只有通過可靠性預(yù)計模型對各種不同工作情況下的電源系統(tǒng)進行分析計算才能更好地在實際應(yīng)用中對元器件選材，做到兼顧產(chǎn)品生產(chǎn)時的經(jīng)濟性以及可靠性。

2.3 組合DC-DC 電源的失效率估計

根據(jù)表2 的組合DC-DC 電源的元器件匯總表，圖3 中計算得到的各元器件的工作失效率預(yù)計值，以及公式（1）至公式（4）統(tǒng)計得出組合DC-DC 電源在五種不同工作環(huán)境下的各部件的失效率和電源總工作失效率，見圖4。

圖3 不同工作環(huán)境下元器件工作失效率的比較

從圖4 可以看出，幾種工作環(huán)境下總工作失效率值的降序排列是：導(dǎo)彈發(fā)射、艦船艙外、運輸機無人艙、惡劣地面固定和地面良好。其中，導(dǎo)彈發(fā)射工作環(huán)境下電源的工作失效率最高，為110.33×10-6/h，達到地面良好工作環(huán)境下的失效率3.79×10-6/h 的29 倍。此外，平均故障間隔時間（MTBF）也是考查電源可靠性的一個重要指標，它是電源的總工作失效率的倒數(shù)：

圖4 組合DC-DC 電源的總工作失效率預(yù)計的比較

五種工作狀態(tài)下電源的可靠性指標，即MTBF 值匯總見表4?？紤]到預(yù)計時的各種誤差以及現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，實際的可靠性指標需要按預(yù)計的理論值縮小1.2～1.8 倍，本研究依據(jù)實際工程經(jīng)驗按1.5 倍縮小得到可靠性指標供實際工程參考。從表中可以看出，導(dǎo)彈發(fā)射的工作環(huán)境非?？量?，組合DC-DC 電源的實際可靠性指標只有約6 000 h 左右，在實際的工程當中，可以先利用可靠性失效模型，找出薄弱環(huán)節(jié)并針對性的選用低失效率元器件，進而達到在較低的成本下提高電源整體可靠性的目標。

表4 組合DC-DC 電源的可靠性指標

3 結(jié)論

本研究對實際工作環(huán)境下的組合DC-DC 電源可靠性進行預(yù)計分析，針對串聯(lián)可靠性失效模型，組合DC-DC 電源的可靠性預(yù)計采用了“自下而上”的方法。首先，對該電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了分析，并將其劃分為五個部件，即48 V 電路、28 V 電路、5 V 電路、-5 V 電路和通信電路部分。其次，對各部件的組成參數(shù)，如元器件類型、數(shù)量、質(zhì)量等級、環(huán)境因素、應(yīng)力系數(shù)、溫度系數(shù)等進行了分析。緊接著根據(jù)元器件的可靠性模型，確定各元器件的預(yù)計算式，并對電源中各元器件的工作失效率進行估算。最后，將各元器件的工作故障率相加，得到各部件的總工作失效率，將各部件的總工作失效率相加，得到電源的可靠性指標。

本研究通過深入分析電源工作原理框圖和各元器件的技術(shù)參數(shù)，得到組合DC-DC 電源在不同環(huán)境下的可靠性預(yù)計值。該研究針對實際情況，分析具體工程實例中的產(chǎn)品可靠性指標，推動了組合DC-DC電源在實際工程應(yīng)用中的發(fā)展，為產(chǎn)品方案擇優(yōu)、改進設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。