НАДЁЖНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ И ЕЁ КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА

Виктор Жданкин

СТА 4/97

Любое устройство может исправно работать не беспредельно, а лишь в течение ограниченного срока, зависящего от условий эксплуатации, сложности аппаратуры и других факторов. Если при конструировании сложной радиоэлектронной аппаратуры не учитывать нарушения работоспособности и не принимать специальных мер для их уменьшения, то аппаратура будет выходить из строя достаточно часто.

Под надёжностью понимают способность изделия выполнять заданные функции в определённых условиях, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемого времени работы (наработки).

Разработке методов расчёта и обеспечения надёжности изделий посвящена самостоятельная отрасль науки — теория надёжности. Она устанавливает причинные связи в нарушениях работоспособности аппаратуры, позволяет устранить слабые звенья при создании аппаратуры, даёт прогноз надёжности вновь разрабатываемых приборов. Математические основы теории надёжности развиваются на базе теории вероятности и математической статистики.

Надёжность радиоэлектронной аппаратуры связана со случайными событиями и величинами, такими как отказ и время работы до отказа. Для количественного определения надёжности используется статистическая оценка качества прибора.

Для сложных систем и комплексов перед оценкой их надежности четко дают определения того, что считать сбоем, а что считать отказом. При этом может учитываться тот факт, что в зависимости от функционального построения системы отказ каких-либо вспомогательных узлов и блоков может и не приводить к отказу системы в целом. Для простых устройств при расчете надежности принято считать, что отказ любого входящего в него компонента ведет к отказу всего устройства.

Хотя в данной статье делается акцент на вопросы надежности силовой электроники, большинство материалов статьи справедливо и для другой радиоэлектронной аппаратуры.

Исходным для количественного определения параметров надёжности является распределение вероятности отказа во времени. Для оценки этого распределения какое-то количество изделий эксплуатируется длительное время и отмечаются моменты выхода из строя каждого из этих изделий. Если в первый момент времени работоспособны все 100% изделий, то к какому-то моменту времени (в принципе, может быть и при t→∞) все изделия выйдут из строя. Нормированная кривая, построенная на основании большого числа измерений, характеризует плотность вероятности отказа во времени f(t). При помощи плотности вероятности f(t) находят другие характеристики надёжности элементов, а именно: вероятность отказа элементов в интервале времени от t до t+Δt, вероятность безотказной работы элемента в течение времени t, средний срок службы элементов, интенсивность отказов элементов, определяемую как доля выходящих из строя элементов в единицу времени по отношению к их количеству в момент t, частоту отказов элементов (определяется как доля выходящих из строя элементов в единицу времени по отношению к их начальному количеству), среднюю частоту отказов элементов.

Опыт показал, что для внезапных отказов обычно справедлив экспоненциальный закон распределения вероятности отказов. Можно показать, что плотность вероятности связана с интенсивностью отказов, следующим выражением

Параметр λ, имеющий размерность числа отказов в единицу времени, обычно и приводится как параметр надёжности элементов. Исходя из полученного выражения, определяются и остальные параметры надёжности:

средний срок службы элементов

и средняя частота отказов

Предположив:

λt <= 1, e^-λt ≈ 1 - λt  , получим f_cp(t) ≈ λ

Таким образом, в период работы после окончания процесса приработки и до начала физического износа средняя частота отказов равна интенсивности отказов.

Одним из факторов, определяющих общую надёжность устройства, является надёжность входящих в него элементов: сопротивлений, конденсаторов, диодов, транзисторов, трансформаторов, интегральных схем (ИС) и т. д. Выход из строя любого из этих элементов или изменение их параметров сверх определённых пределов приведёт к отказу всего изделия.

Для большинства элементов радиоэлектронной аппаратуры зависимость λ от времени имеет вид U-образной кривой (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость изменения интенсивности отказов от времени

В первый отрезок времени, называемый периодом приработки, выходят из строя элементы, имеющие грубые дефекты, не вскрытые контролем. После выявления этих элементов интенсивность отказов уменьшается и далее остаётся постоянной, наступает период нормальной работы. По мере износа элементов интенсивность отказоввновь возрастает, начинается период старения элементов.

Количественное определение надёжности различных элементов связано с большой затратой времени и средств для получения и обработки статистических данных по их эксплуатации и испытаниям. Эксплуатационная интенсивность отказов ИС, выпускаемых в настоящее время, может составлять λ=1О^-7 ч^-1, а совершенствование технологии и использование специальных методов отбраковки ИС поз­воляют довести этот показатель до λ=1О^-8-1О^-9 ч^-1. При та­ких значениях проведение статистических испытаний становится экономически и технически нецелесообразным вследствие непомерных трудностей получения сколько-нибудь достоверной количественной информации о надёжности.

В связи с этим для электронного оборудования приводятся, как правило, не экспериментальные, а расчетные параметры надежности.

При определении общей надёжности аппаратуры, если отказ любого компонента приводит к неисправности прибора, все компоненты считаются включенными последовательно. Тогда при экспоненциальном законе распреде­ления вероятности отказов λ_c=λ₁xS₁+λ₂xS₂+...+λ_nxS_n, где n — число различных типов компонентов, λ_1; λ₂,... λ_п — средняя интенсивность отказов компонентов, а S₁, S₂,... S_n — число элементов данного типа в приборе. Таким образом, интенсивность отказов изделия в целом представляет собой возрастающую функцию числа соединений и элементов, входящих в данную аппаратуру, а также интенсивности отказов элементов и соединений. На практике при расчёте надёжности по характеристикам элементов со­ставляют перечень используемых элементов и определяют интенсивность отказов каждого вида элементов. Далее вво­дят коэффициенты, учитывающие влияние режима и условий работы.

Для учёта воздействий, определяемых средними условия­ми эксплуатации, обычно вводят коэффициент жёсткости, учитывающий степень сокращения среднего срока службы аппаратуры при воздействии неблагоприятных факторов внешней среды. Затем интенсивности отказов элементов суммируют и определяют необходимые характеристики: вероятность безотказной работы, вероятность возникно­вения любого количества отказов за данный период време­ни, среднее время безотказной работы и т. д.

Значение среднего времени между отказами (среднее время наработки на отказ — Mean Time Between Failures — MTBF) определяется cледующим соотношением [1]:

MTBF = 1/λ 

Существует целый ряд стандартов для расчёта значения MTBF. Так, в телекоммуникационной индустрии используются такие стандарты, как BELLCORE TR-NWT-332 (обычно используется в США) и HRD4 (используется в Англии). На­работка на отказ, рассчитанная в соответствии с этими стандартами, имеет большие значения, чем наработка на отказ, посчитанная в соответствии со стандартом MIL-HDBK-217F, который широко распространён на практике. Например, для преобразователя напряжения серии ВХА30 (Computer Products) значения параметра наработки на от­каз, рассчитанные согласно упомянутым стандартам, име­ют следующие значения: MIL-HDBK-217F — 520000 часов, BELLCORE TR-NWT-332 — 750000 часов, HRD4 — 2500000 часов. Стандарт MIL-HDBK-217F накладывает жёсткие ог­раничения на компоненты невоенного назначения. При­нятые интенсивности отказов некоторых из этих компонентов не совсем соответствуют реальным значениям. На­пример, трансформаторы и магнитные компоненты име­ют очень низкую реальную интенсивность отказов, в то время как MIL-HDBK-217F предсказывает очень высокую. Кроме того, интенсивность отказов микросхем определя­ется стандартом как даже более высокая, чем у магнитных компонентов [2].

Количественно надёжность определяется как вероят­ность того, что устройство продолжит функционировать в течение определённого времени и вычисляется с помо­щью следующего экспоненциального уравнения:

R(t) = e^-λt = e ^t/MBTF

Графическое представление зависимости надежности от времени дано на рис. 2. Из этого уравнения может быть сделан ряд заключений:

• R(t) является вероятностью со значением между 0 и 1;
• если силовой преобразователь отработал время, равное его MTBF, то вероятность его дальнейшей безотказной работы составит 0,37;
• устройство, отработавшее в течение времени, равного 10% от MTBF, будет иметь вероятность безотказной рабо­ты 0,9.

Рис. 2. График зависимости надёжности от времени

Небольшая таблица, приведенная на рис. 2, представляет дополнительные значения R(t), которые не показаны на графике.

Для оценки показателей надёжности изделий наиболее часто применяются следующие параметры:

среднее время наработки на отказ, являющееся математическим ожиданием наработки изделия до первого отказа;

средний ресурс, являющийся математическим ожиданием суммарной наработки изделия от начала его эксплуатации до перехода в состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна;

средний срок сохраняемости, являющийся математическим ожиданием календарной продолжительности хранения и транспортирования изделия, по истечении которой изделие должно соответствовать требованиям по безотказности и долговечности, установленным нормативно-технической документацией на него;

средний срок службы, являющийся математическим ожиданием календарной продолжительности эксплуатации от начала до перехода в состояние, при котором дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна.

Для повышения надёжности источников вторичного электропитания (ИВЭП) очень важно обеспечить нормальный тепловой режим их функционирования, потому что, как правило, ИВЭП являются наиболее теплонапряжённой частью аппаратуры.

На рис. 3 приведён график зависимости MTBF от температуры для гипотетического ИВЭП. Из графика видно, что повышение температуры способствует снижению надёжности. При 50°С параметр MTBF имеет значение 5,1 лет, а при 75°С — 1,86 лет (в одном году 8766 часов).

Рис. 3. Типичная зависимость среднего времени наработки на отказ (MTBF)
от температуры окружающего воздуха для источников питания

Фирма Interpoint приводит для своих изделий время наработки на отказ, вычисленное в соответствии со стандартом MIL-HDBK-217F. Приводятся графики зависимости MTBF от температуры и условий эксплуатации. В качестве примера приведены параметры MTBF для фильтров FMD28-461 (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость среднего времени наработки на отказ (MTBF) от температуры и условий эксплуатации
для фильтров FMD28-461 фирмы Interpoint

В таблице 1 приведены пояснения к условиям эксплуатации.

Коэффициент π_E является величиной, учитывающей условия эксплуатации аппаратуры и имеющей значения от 1,0 до 10,0.

Для построения отказоустойчивых систем электропитания необходимо применять полное дублирование конструкции и самодиагностику. Высокая надёжность системы означает, что только наиболее редкие, маловероятные отказы могут вывести систему из строя. Метод, используемый в высоконадёжных системах для уменьшения возможности появления отказов, заключается в N+1 резервировании (или N+2…N+M). Отказоустойчивые системы должны иметь, как минимум, 2N-резервирование.

Резервирование значительно усложняет аппаратуру и увеличивает её стоимость, поэтому его следует применять, когда исчерпаны остальные, более простые способы повышения надёжности.

В качестве другой рекомендации по повышению надёжности разрабатываемой аппаратуры можно говорить об использовании унифицированных конструкций как наиболее отработанных.

Одновременное выполнение всех перечисленных требований легче всего обеспечить, если систему вторичного электропитания сделать децентрализованной.

Таблица 1. Обозначение и описание условий эксплуатации

Литература
1. The principies of power conversion. – GB: Computer Products, 1991.
2. Military Standartization Handbook, MIL-HDBK-217F.