Испытания DC/DC-преобразователей в термокамере (Токр = 40 °C)

Вопросы надежности для DC/DC-преобразователей. Часть 2

№ 12’2015
PDF версия
Данная статья продолжает цикл материалов, посвященный вопросам надежности DC/DC-преобразователей.

Начало статьи.

Использование значений MTBF (среднего времени безотказной работы)

Значения среднего времени безотказной работы MTBF (англ. MTBF — mean time between failures, буквально: среднее время между отказами) могут вызвать большую путаницу, потому что они часто неправильны, а иногда и сознательно искажены недобросовестными производителями. Время наработки на отказ, равное 1 млн ч, не означает, что продукт имеет срок службы, равный:

1 000 000/(24×365) = 114 лет!

Наработка на отказ здесь просто определяется как величина, обратная фактической интенсивности отказов. Так, если один DC/DC-преобразователь из 100 имел отказ после 10 000 ч работы, то значение MTBF составит:

MTBF = 10 000/(1/100) = 1 млн ч!

И наоборот, если интенсивность отказов в данной области применения должна быть меньше, чем 1% в год для определенного установленного количества, то необходимое значение наработки на отказ MTBF такого источника питания должно быть:

Требуемая MTBF = (365×24)/1% = = 876 000 ч.

При правильном использовании значение MTBF может определить время для технического обслуживания устройства при его эксплуатации, но значения MTBF в тысячи или миллионы часов приводят к путанице для тех, кто недостаточно знаком с ними. Если мы возьмем первый пример, приведенный выше, то действительно преобразователи имеют значение MTBF, равное 1 млн ч (что эквивалентно 114 годам), но один одиночный преобразователь из множества может отказать уже после первых 13 месяцев использования. Возможно, более понятный пример, касающийся жизни человека, поможет объяснить этот кажущийся «просчет». Средняя интенсивность «отказов» для человека в возрасте 25 лет составляет 0,1%, то есть вероятно, что один 25‑летний человек из тысячи может умереть. Делая расчет надежности, мы получаем наработку на отказ MTBF для людей, равную 800 годам!

Причина столь высоких (и столь изменяемых) значений при расчете MTBF заключается в том, что частота отказов в плоской средней части, то есть в периоде нормальной эксплуатации изделия, очень и очень низка. При масштабировании с учетом более длительного периода времени это означает, что небольшие изменения в интенсивности отказов, составляющие дельту (скорость изменения интенсивности отказов во времени), дадут большие изменения в расчетной MTBF. Это также объясняет и тот факт, почему мы, люди, не можем жить по 800 лет. В 25‑летнем возрасте большинство людей достаточно здоровы, и основной причиной их смерти являются несчастные случаи. Если бы мы не старели и не страдали от болезней, то могли бы жить до 800 лет (если бы в нашем случае все смерти происходили из-за несчастного случая и носили исключительно случайный характер). С другой стороны, если бы для расчета был выбран другой возраст, скажем 45 лет, тогда бы мы увидели совсем иные значения MTBF для человека. Это связано с тем, что люди начинают «изнашиваться» уже в относительно раннем возрасте.

Поскольку интенсивность отказов во время последней фазы периода нормальной эксплуатации изменяется по экспоненциальному закону, то вероятность безотказной работы может быть рассчитана с использованием значения MTBF по следующей формуле:

Вероятность безотказной работы = = eT/MTBF.

Если время (Т) равно значению среднего времени наработки на отказ (MTBF), то уравнение сводится к значению e–1, или к вероятности 37%. Это можно интерпретировать так: при Т = MTBF будет по-прежнему работать 37% всех преобразователей, или (альтернативно) вероятность, что все преобразователи будут по-прежнему работоспособны к концу периода времени T, равного MTBF, составляет только 37%.

 

Показанная MTBF

Большинство производителей источников питания не могут ждать годами, чтобы получить цифровые значения реальной скорости изменения интенсивности отказов и приращения отказов в единицу времени (дельта для своей продукции). Наиболее практичный способ получения сведений по надежности — использовать эмпирические результаты для отдельных компонентов в соответствии с такими базами данных, как руководство MIL HDBK 217, и предположить, что частота отказов увеличивается монотонно. Разумеется, результат не идеальный, но это намного лучше, чем просто гадать или десятилетиями ждать более достоверных данных.

Однако если уже было продано значительное количество продуктов или проведены долгосрочные испытания на большой выборке, то мы имеем возможность более точно измерить надежность. Это можно назвать «показанная надежность» (в принятой английской терминологии — demonstrated MTBF), которая основана не на расчетных, а на реально зафиксированных отказах. Поскольку и размер выборки, и время наблюдения ограничены по практическим соображениям, то число фактических отказов может быть низким, поэтому для анализа распределения необходимо использовать инструменты из области статистики. Например, такие как критерий распределения χ2, который дает возможность рассчитать значения для показанной MTBF с разумной точностью, например в 95%:

Показанная MTBF = 2T/χ2(0,05, ν),

где T — время, ч; 0,05 — минимально приемлемая точка отсечения, равная 95%; ν — степень свободы χ2‑функции.

Есть также и другие базы данных, и другие статистические модели, которые могут применяться для получения значений вероятности интенсивности отказов. Наряду с MIL 217F HDBK наиболее распространенными являются Bellcore/Telcordia TR-NWT‑332 и IEC61 709. Результаты этих методик отличаются друг от друга, потому что при вычислениях они используют различные допущения и различные уровни воздействий. Так, в MIL 217F HDBK используется 100%-ная нагрузка, тогда как в методике Bellcore/Telcordia только 50%-ная. По той же причине DC/DC-преобразователь, рассчитанный на мощность 30 Вт, согласно методике MIL 217F HDBK (условия 2, без обледенения) покажет наработку на отказ 435000 ч. По методике Bellcore/Telcordia TR‑332 его среднее время безотказной работы превысит 3 млн ч, а по методике IEC 61709 его MTBF составит около 80 млн ч.

Впрочем, если два продукта имеют аналогичные критерии эффективности и характеризуются разными значениями MTBF и при расчетах для определения их MTBF использовались одинаковые модели и факторы нагрузки, изделие с более высоким значением MTBF и на практике окажется более надежным. И это не зависит от выбранной методологии.

 

Связь между MTBF и температурой

Надежность уменьшается с увеличением рабочей температуры, так что указанный в спецификации параметр MTBF, как правило, соответствует значению только при комнатной температуре окружающей среды, и это следует принять во внимание. Причина, почему надежность настолько зависит от температуры, связана с энергией активации химических процессов. Это известно еще с 1898 года, когда шведский химик Аррениус доказал, что скорость химической реакции зависит от температуры и что на каждые 10 °K увеличения температуры скорость реакции возрастает примерно в два раза:

Формула

где k — скорость реакции; А — коэффициент, который зависит от природы реагентов и характеризует частоту столкновений реагирующих молекул; EA — энергия активации; Т — температура, °К; kB — постоянная Больцмана.

За пределами чистой химии уравнение Аррениуса нашло много применений, в частности, и при оценке срока службы электронных компонентов, в которых многие из эффектов старения являются по своей природе химическими (например, эффект коррозии, старение материалов, изменение дислокации в полупроводниковых кристаллических решетках и т. п.). Уравнение Аррениуса также может быть модифицировано путем выделения коэффициента ускорения, который зависит от температуры. Для электронных компонентов энергия активации составляет 0,6 эВ и дает нам коэффициент ускорения, который может быть вычислен по следующей формуле как:

Формула

где TREF — опорное значение температуры; TAMB — температура окружающей среды.

Для большинства технических спецификаций в качестве опорной температуры TREF берется номинальная температура в помещении, или +25 °C. Это дает нам следующие факторы ускорения в зависимости от температуры окружающей среды TAMB (табл. 4).

Таблица 4. Коэффициенты ускорения для разных температур окружающей среды TAMB

TAMB, °C

Коэффициент ускорения

+25

1

+30

1,5

+40

3

+50

6

+60

12

+70

22

+80

40

Из этих простых соотношений можно видеть, что удвоение температуры окружающей среды +25…+50 °C увеличивает эффект старения на коэффициент, равный шести. А если температура увеличена еще на +25 °C, то есть до +75 °C, то эффект старения увеличится уже примерно в 30 раз.

Такое же соотношение работает и в обратном направлении. Снижение температуры повышает надежность электронных компонентов. Тем не менее при очень низких температурах (ниже –20 °C) уже другие факторы, такие как механические напряжения из-за разницы в коэффициентах расширения разных материалов или то, что при низких температурах паяные соединения становятся хрупкими, могут вызвать более высокую скорость интенсивности отказов. Таким образом, соотношения Аррениуса не могут быть экстраполированы без установки должного предела.

Помимо эффектов старения, для расчета MTBF существуют и другие стрессовые факторы, влияние которых необходимо учитывать, но расчеты показывают явное уменьшение надежности с увеличением роста температуры (табл. 5).

Таблица 5. Пример изменения MTBF с учетом воздействия температуры (для DC/DC-преобразователя RECOM 2 Вт)

Температура окружающей среды, °C

MTBF (MIL-HDBK-217F) (при полой нагрузке), ч

+25

1 368 813

+50

711 033

+85

226 072

Таблица 6. Максимально приемлемые температуры элементов при конструировании изделия

Компонент

Максимально допустимая рабочая температура (согласно спецификации изготовителя), °C

Рекомендуемая максимальная температура (наихудший случай), °C

SMD-резистор

+125

+115

SMD-конденсатор

+125

+115

SMD-диод

+125

+115

Полевой транзистор
(температура перехода)

+155

+140

Трансформатор

+130

+120

Оптрон

+110

+100

Печатная плата (стеклотекстолит марки FR4)

+140

+130

 

Особенности конструирования для обеспечения надежности

Проблема обеспечения надежности имеет большое значение при разработке общей конструкции блока питания. Имеется в виду выбор соответствующих коэффициентов нагрузок для компонентов, топологий и элементов, в спецификации которых указаны длительные сроки службы. Поэтому к основным критериям, которые следует принимать во внимание при конструировании таких блоков, относится выбор правильных компонентов, использование проверенных и испытанных топологий схем с учетом всех ожидаемых электрических и тепловых нагрузок, а также влияние окружающей среды. Все эти моменты должны быть предусмотрены на этапе проектирования изделия.

При конструировании необходимо помнить и о том, чтобы блок питания был легким в изготовлении, как в сборке, так и в его проверке при производстве. То есть при разработке должна быть учтена возможность физического доступа к прибору для проверки формы сигналов, напряжения и температуры, это позволит гарантировать, что источник питания работает точно в пределах заданных границ его эксплуатации. Любые значения, находящиеся вблизи границ допусков или формы сигналов, которые выглядят не так, как должны, могут означать, что даже если преобразователь удовлетворяет требованиям технической спецификации, срок его службы будет менее ожидаемого.

Как уже упоминалось в предыдущем разделе, высокие температуры — это враг для долгой жизни и надежности изделия. Каждый компонент конструкции может иметь некоторую максимальную рабочую температуру в рамках, определенных его изготовителем, но хорошо выполненная еще на стадии разработки конструкция позволит сделать так, чтобы ни один из компонентов никогда не достигал пределов своей максимальной рабочей температуры. В таб-лице 6 приведен ряд типичных максимальных рабочих температур и рекомендуемые температуры для некоторых компонентов DC/DC-преобразователей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *