開關(guān)電源-壽命評(píng)估
第1節(jié) 開關(guān)電源－壽命評(píng)估
1 電源的壽命的定義和期望壽命
眾所周知，電子產(chǎn)品的故障如Bath-tub Curve (圖1,)所示，分為以下三種類型。
① 減少型(DFR；Decreasing Failure Rate)
初期，帶有缺陷的部分會(huì)發(fā)生故障，但隨著時(shí)間的推移，剩下的都是穩(wěn)定的部件，故障率亦會(huì)下降。這段時(shí)間稱為初期故障期。
② 一定型(CFR; Constant Failure Rate)
此時(shí)，機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定，故障率降至一定水平，發(fā)生的故障均為隨機(jī)性事件，稱為偶發(fā)性故障期。這段時(shí)期的穩(wěn)定度和平均故障時(shí)間(MTBF)呈指數(shù)式分布。
③ 增加型(IFR；Increasing Failure Rate)
故障率逐漸上升。故障發(fā)生原因?yàn)槟p。多見于風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的球形軸承及繼電器的驅(qū)動(dòng)部位等處。這種類型的故障具有集中某處發(fā)生的特征，一般從初期開始即呈正態(tài)分布。
因此，可以說壽命就是指機(jī)器故障率保持不變的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期，也就是偶發(fā)故障期。
用戶對(duì)電源的最低壽命的要求各不相同，一般最好考慮為7~10年。然而，機(jī)器的運(yùn)行時(shí)間因機(jī)而異，所以應(yīng)明確限定期望壽命，并檢測(cè)設(shè)計(jì)是否符合壽命標(biāo)準(zhǔn)。
P2
表1中列舉了幾種主要電器的最短壽命。
它們是在設(shè)定完全使用時(shí)間為7年的前提下，根據(jù)各種電器的運(yùn)行狀況推算出來的數(shù)據(jù)。
|
用途 |
必 要 壽 命 |
|
時(shí)間 |
負(fù)荷比 |
時(shí)間計(jì)算 |
|
printer |
額定負(fù)荷 4.200H |
1 |
最大額定負(fù)荷 8－2H/天
最小額定負(fù)荷 2H/天
使用天數(shù) 300天/年
最大額定負(fù)荷壽命�。禜/天×300天/年×7年＝12.600H
最小額定負(fù)荷壽命�。睭/天×300天/年×7年＝4.200H |
|
最大額定負(fù)荷12.600H |
1 |
|
PC |
額定負(fù)荷 |
1 |
使用 8H/天
壽命 8H/天×300天/年×7年＝16,800H |
|
PPC |
額定負(fù)荷 556H |
1 |
PCB個(gè)數(shù) 500,000個(gè)/壽命
最小負(fù)荷時(shí)間 500,000個(gè)×分/個(gè)×（H/分）＝556H
最大額定負(fù)荷�。�8H/天×300天×7年）－556H＝16.244H |
|
最小額定負(fù)荷 16.244H |
0.05
0.2 |
|
FAX |
額定負(fù)荷 5.500H |
1 |
最小額定負(fù)荷 2H/天×365天/年×7年＝5.110H
最大額定負(fù)荷 (24H/天×365天/年×7年）-5.110H=56.210H |
|
最小額定負(fù)荷 |
0.1 |
2 電源裝置的壽命評(píng)估
電源裝置因?yàn)樘幚黼娏鞯木壒�，所用部件受到的電�?yīng)力大，發(fā)熱量高，機(jī)器內(nèi)部溫度上升快，所以壽命評(píng)估工作尤顯重要。機(jī)器的壽命基本上和使用部件的壽命掛鉤。部件壽命與熱、電應(yīng)力成函數(shù)關(guān)系，其中更以熱應(yīng)力為主。
從機(jī)器壽命設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看，如果將所有部件的壽命統(tǒng)一，則能達(dá)到理想的最優(yōu)性價(jià)比，但部件的壽命性能（影響部件壽命的電力、環(huán)境特征）相差巨大，因而難以實(shí)現(xiàn)。一般來說，盡可能降低短壽部件的應(yīng)力，并極限化使用長壽部件，可以實(shí)現(xiàn)部件壽命的平均化。
電阻類、陶瓷電容器和薄膜電容器等半導(dǎo)體部件不接觸強(qiáng)應(yīng)力，壽命極長，因而可以說下面舉出的部件的壽命才真正決定了電源的壽命。
P3
3 決定壽命的主要部件
① 電解電容器
電解電容器的封口部位會(huì)漏出氣化的電解液，這種現(xiàn)象會(huì)隨著溫度的升高而加速，一般認(rèn)為溫度每上升10℃，泄漏速度會(huì)提高至2倍。因此可以說電解電容器決定了電源裝置的壽命。
② 開關(guān)晶體管、高速功率二極管
此類部件在性能界限內(nèi)使用時(shí)，基本上可以維持7~10年的壽命，但電源通斷（能量循環(huán)）時(shí)產(chǎn)生的物理應(yīng)力、熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致元件劣化，提前損壞。
③ 風(fēng)扇
球形軸承及軸承的潤滑油枯竭、機(jī)械裝置部件的磨損，會(huì)加速風(fēng)扇的老化。加之近年的DC風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)回路開始使用電解電容器等部件，所以有必要將回路部件壽命等因素也一并考慮進(jìn)去。
④ 光電耦合器
電流傳達(dá)率（CTR；Current Transfer Ratio）隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸減少，結(jié)果發(fā)光二極管的電流不斷增大，有時(shí)會(huì)達(dá)到最大限制電流，致使系統(tǒng)失控。
⑤ 開關(guān)
多數(shù)開關(guān)電源設(shè)有電容器輸入型的整流回路，在通入電源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，導(dǎo)致開關(guān)接點(diǎn)疲勞，引發(fā)接觸電阻增大及吸附等問題。理論上認(rèn)為，在電源期望壽命期間，開關(guān)的通斷次數(shù)約有5,000回。
⑥沖擊電流保護(hù)電阻、熱敏功率電阻器
為抵抗電源通入時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流，設(shè)計(jì)者將電阻與SCR等元件并聯(lián)起來使用。電源通入時(shí)的電力峰值高達(dá)額定數(shù)值的數(shù)十倍至數(shù)百倍，結(jié)果導(dǎo)致電阻熱疲勞，引起斷路。處在相同情況下的熱敏功率電阻器也會(huì)發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象。
P4
4 壽命測(cè)試
4.1 壽命測(cè)試的意義
為保證裝置的壽命，可以從構(gòu)成裝置的部件及材料的壽命來推算裝置總體的壽命，從而代替了對(duì)裝置本身的壽命測(cè)試，然而，推測(cè)畢竟只是推測(cè)，要想真正保障壽命，就必須切實(shí)搞好測(cè)試工作。另一方面，電源機(jī)器是整個(gè)裝置的心臟部位，與其他部分相比，要求有更高的穩(wěn)定性。通過統(tǒng)計(jì)來確定產(chǎn)品的耐用壽命，本是很普通的工作，但在這里，測(cè)試所耗費(fèi)的樣品、時(shí)間和費(fèi)用等成本頗為可觀。要解決這個(gè)難題，可以考慮采用以下三種方法：
① 依據(jù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和過去的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，挑出短壽部件，對(duì)其進(jìn)行專門的壽命測(cè)試，從而推算出整個(gè)電源裝置的壽命。
② 嚴(yán)格限制故障標(biāo)準(zhǔn)，從嚴(yán)判定故障。
③ 提高測(cè)試時(shí)的應(yīng)力值，或者增加重復(fù)電源通斷的次數(shù)。在易出故障的條件下，縮短檢測(cè)時(shí)間，從嚴(yán)判定故障。
第①條要求操作者充分把握部件的使用狀態(tài)，因?yàn)槿f一個(gè)別部件所受的應(yīng)力超過預(yù)計(jì)，則有可能導(dǎo)致判斷失誤。需要注意的是：設(shè)計(jì)電源裝置時(shí)必須考慮到所有部分的耐用壽命和穩(wěn)定性，所以這種壽命測(cè)試不僅可以推算出機(jī)器的耐用壽命，更可以有效排除制造商方面的設(shè)計(jì)失誤及漏洞。電源機(jī)器的設(shè)計(jì)也要考慮到用戶的使用條件，但是因?yàn)橛脩粑幢囟寄艹浞职盐沼嘘P(guān)規(guī)格要求，所以測(cè)試包括電源裝置在內(nèi)的機(jī)器總體的壽命是很有效的手段。這種做法也有利于用戶方面對(duì)制造商進(jìn)行比較，增強(qiáng)廠家競爭力。
4.2 故障類型與故障構(gòu)成
有關(guān)壽命的故障類型是指部件故障的外在表現(xiàn)，例如電源裝置中出現(xiàn)的輸出值下降，輸出電壓異常上升等問題。這些類型是部件的故障類型中的短路、開路和特性值改變引起的表現(xiàn)。
故障構(gòu)成在這里是指引發(fā)個(gè)別部件的故障的理論模型，也就是說從材料化學(xué)、原子分子的層面上看，部件發(fā)生故障的原因是什么。關(guān)于故障構(gòu)成的知識(shí)將會(huì)在下文中就不同部件詳細(xì)說明。
要想研究壽命測(cè)試的方法，必須先將故障類型與故障構(gòu)成的相互關(guān)系理清。圖2標(biāo)明了二者間的關(guān)系。
P5
4.3 加速壽命測(cè)試
壽命測(cè)試需要大量樣品和很多時(shí)間，故而一般采用加速壽命測(cè)試法。
4.3.1 加速要求
壽命加速的允許范圍是指能夠保證隨著應(yīng)力的增強(qiáng)，故障結(jié)構(gòu)不變，而特性值變化的形式、故障時(shí)間的分布、平均壽命和故障率等發(fā)生規(guī)則變化的條件。應(yīng)力如果過強(qiáng)，則會(huì)導(dǎo)致其它的劣化現(xiàn)象，所以應(yīng)留意應(yīng)力值的設(shè)定。
4.3.2 劣化反應(yīng)與加速系數(shù)
部件及材料的特性值會(huì)隨著基本物質(zhì)的擴(kuò)散、氧化和再結(jié)晶等反應(yīng)而發(fā)生劣化。
設(shè)特性值為φ，反應(yīng)速度為K，K與φ的關(guān)系如下：
df(φ)/dt=K (1)
因此，f(φ)=Kt (2)
假設(shè)特性值 φ達(dá)到故障標(biāo)準(zhǔn)a時(shí)，壽命L就將結(jié)束。
則由（2）可得
f(a)=K·L
壽命的加速系數(shù)AL為
AL= LN/L = K/KN （3）
LN 、KN各為基準(zhǔn)值
另，根據(jù)阿列里烏斯推論，加速系數(shù)為
AL≒2⊿T/θT （4）
但，⊿T = T – TN
θT=T – TN
θr=（T·TN LN2）/B
B：相應(yīng)的活性化能源除以玻耳茲曼常數(shù)所得的特殊常數(shù)。
（注：玻耳茲曼常數(shù)為1.3709×10-10 爾格/絕對(duì)溫度。）
TN：標(biāo)準(zhǔn)溫度。
一般電器的θr值基本上為10℃左右，所以（4）式被稱為10℃2倍定律，但這種關(guān)系式并非總是能夠成立。電子部件在接近常溫時(shí)，每上升10℃，壽命約減少至2/3～1/2。
4.3.3 故障構(gòu)成與壽命測(cè)試
壽命測(cè)試的內(nèi)容依據(jù)故障構(gòu)成來設(shè)定。如圖3所示，由5種測(cè)試組成。
P6
4.3.4 高溫?cái)嗬m(xù)測(cè)試的要求
諸如繼電器、開關(guān)和電扇等機(jī)械性部件，以及功率晶體管，功率二極管等部件的升溫現(xiàn)象很嚴(yán)重，因而有必要進(jìn)行高溫?cái)嗬m(xù)測(cè)試。通過切斷和通入輸入電源，使元件反復(fù)進(jìn)行升溫和冷卻的周期循環(huán)，從而測(cè)得元件對(duì)熱疲勞的耐力。實(shí)際操作時(shí)需要重復(fù)循環(huán) 5，000～10，000次。
環(huán)境溫度：50～80℃
斷續(xù)循環(huán)： 5,000～10,000次
檢測(cè)項(xiàng)目：逐次檢測(cè)元件的一般性能.
本測(cè)試亦可與高溫連續(xù)測(cè)試組合使用。
4.3.5 高溫連續(xù)壽命測(cè)試的要求
環(huán)境溫度：50～80℃
連續(xù)通電時(shí)間： 1,000～3,000小時(shí)
檢測(cè)項(xiàng)目：一般性能（輸入電壓變化、輸出電流變化、脈動(dòng)電壓和輸出電壓偏差）
不同的機(jī)器所要求的環(huán)境溫度及連續(xù)通電時(shí)間也不盡相同，一般按照下面的方法求出。假定電源裝置的機(jī)器外部環(huán)境溫度平均為25℃，考慮到機(jī)器內(nèi)部的升溫因素，電源周圍的溫度比機(jī)器外部約高10～15℃，即35～40℃。當(dāng)然，特殊用途的電源不在此限。
電源的期望壽命平均為40,000小時(shí)，由阿列里烏斯公式可得LN=40,000H，TN=35℃，θr=10℃，代入第（3）、（4）式中可得下式：
L=40,000·2-（T-35）/10 （5）
設(shè)定環(huán)境溫度前，有必要了解裝置的溫度上限�？刹捎盟^的淘汰測(cè)試法，逐級(jí)提高溫度直至測(cè)試對(duì)象報(bào)廢，從而測(cè)得對(duì)象的耐溫上限。電源機(jī)器的極限溫度為70～90℃，如果能將環(huán)境溫度提高到此種程度，則可以加快機(jī)器壽命的終結(jié)。此外，電解電容器是最脆弱的部件，因而有必要事先獲悉其壽命值，并且在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，確保基本上不超過其溫度上限。
例如，設(shè)T=75℃，則由（5）式可得L=2,500小時(shí)。
4.3.6 高溫高濕測(cè)試
針對(duì)金屬部件的腐蝕、塑料部件的分解等造成的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣耐力下降等故障，宜進(jìn)行高溫高濕測(cè)試。要求如下：
環(huán)境溫度：40～50℃
相對(duì)濕度：90～95%
放置時(shí)間：96小時(shí)（通電或不通電）
檢測(cè)項(xiàng)目：按上述要求放置后，取出放置在常溫常濕下30分鐘，進(jìn)行一般性能、振動(dòng)測(cè)試、絕緣耐力測(cè)試和外觀檢查。
4.3.7溫度循環(huán)測(cè)試
環(huán)境溫度的高低差產(chǎn)生季節(jié)裂紋等變溫性應(yīng)力，從而導(dǎo)致焊接、塑模部件發(fā)生故障。進(jìn)行本測(cè)試即是為了檢測(cè)出這種故障是否存在。要求如下：
環(huán)境溫度：高溫 50～60℃
常溫 25℃
低溫 －5～－10℃
P7
將測(cè)試用電源放入上述三個(gè)恒溫箱中各5～10小時(shí)，重復(fù)高溫—常溫—低溫—常溫—高溫的循環(huán)30～50次。
檢測(cè)項(xiàng)目：一般性能、振動(dòng)測(cè)試和外觀檢查。
5 部件的壽命評(píng)估
5.1 電解電容器
① 壽命性能
電解電容器的壽命結(jié)束形式為磨損故障，決定壽命的主要因素為靜電容量、損失角的正切（tanδ）、漏電流等。隨著時(shí)間的推移，靜電容量減少，tanδ增大。漏電流在外加電壓時(shí)有增加的趨勢(shì)，所以對(duì)負(fù)荷的壽命影響不大。
② 壽命的判定
用百分比來表示靜電容量相對(duì)于起始值的變化率，一般達(dá)到－20%以下時(shí)即告壽命結(jié)束。tanδ的值在超過規(guī)定值時(shí)壽命結(jié)束。漏電流在零負(fù)荷的情況下有增加的趨勢(shì)，同理，在超過規(guī)定值時(shí)壽命結(jié)束。
③ 影響壽命的主要原因
前面講到的特性之所以會(huì)產(chǎn)生劣化，其主要原因在于電解液。隨著溫度的上升，電解液氣化，經(jīng)電容器的封口部位向外泄漏，內(nèi)部的電解液不斷減少。隨著電解液量的減少，tanδ會(huì)逐漸增大，結(jié)果，脈沖電流經(jīng)由時(shí)產(chǎn)生的發(fā)熱量增大，又進(jìn)一步加快了劣化過程。這種關(guān)系如圖4、圖5所示。
④ 壽命的推算
鋁電解電容器的近似壽命可以由環(huán)境溫度與脈沖電流引起的自發(fā)熱溫度中推得。下面的式子表現(xiàn)了壽命與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。
（6）
在這里，L1=溫度T1時(shí)的壽命
L2=溫度T2時(shí)的壽命
T1=最高保證溫度或測(cè)試溫度＋脈沖發(fā)熱溫度
T2=推算壽命時(shí)的環(huán)境溫度＋脈沖發(fā)熱溫度
要求 T1 > T2
測(cè)定脈沖發(fā)熱的升溫值時(shí)，需避開其它熱輻射。另外，小型電解電容器受熱極易升溫，最好進(jìn)行表面溫度實(shí)測(cè)。
5.2 光電耦合器
GaAs系的紅外發(fā)光二極管多使用光電耦合器。這種發(fā)光二極管的發(fā)光效率的退化會(huì)導(dǎo)致CTR（電流傳達(dá)率）下降，其它的CTR劣化形式還有芯片面的光結(jié)合樹脂剝離。溫度越高，P8
CTR的下降也越快。同時(shí)，二極管電流越大，CTR下降也越快。圖6、圖7標(biāo)明了這些因素間的關(guān)系。
CTR降至起始值的50%所耗的時(shí)間稱為半衰期。電源回路的統(tǒng)計(jì)中以此為限界值，所以可以認(rèn)為半衰期就是壽命時(shí)間。通常條件下，半衰期為5萬～10萬小時(shí)，但所有的光電耦合器都具有如圖8所示的壽命值，因而在進(jìn)行壽命評(píng)估之前最好確認(rèn)一次。
5.3 風(fēng)扇
風(fēng)扇的壽命受軸承及球形軸承的磨損程度影響。軸承部分因旋轉(zhuǎn)而發(fā)熱，風(fēng)扇自身雖能進(jìn)行一定程度的冷卻，但不能從根本上解決發(fā)熱問題。測(cè)出軸承部位的升溫值，升溫值越小，質(zhì)量越好，由此來選擇合適的制造商。
圖6（左上圖）保存溫度對(duì)CTR的徑時(shí)變化
圖7（右上圖）動(dòng)作試驗(yàn)與CTR的徑時(shí)變化
軸承部位的潤滑油干枯及軸承的磨損導(dǎo)致轉(zhuǎn)數(shù)下降，噪音增大，加快了壽命的終結(jié)。關(guān)于轉(zhuǎn)數(shù)的減少，各制造商的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，但一般以起始值的3～5%為上限。壽命隨著溫度的上升而縮短。普通的DC無刷電動(dòng)機(jī)在40℃的環(huán)境下，壽命約為40，000小時(shí)，廉價(jià)的金屬軸承風(fēng)扇約為10，000小時(shí)。圖9標(biāo)出了風(fēng)扇的壽命的特性值。另外，DC風(fēng)扇的壽命還受內(nèi)臟部分——電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路影響。風(fēng)扇中經(jīng)常會(huì)用到鋁電解電容器，因此有必要將電容器拆開檢查（鋁電解是105℃部件吧）。
P9
5.4 半導(dǎo)體
① 壽命性能
阿列里烏斯反應(yīng)速度公式同樣適用于半導(dǎo)體的壽命。根據(jù)上面提到過的（4）式，壽命L與溫度T之間有如下關(guān)系：
A：常數(shù)
E0：活性化能量
k:玻耳茲曼常數(shù)
活性化能量由故障的構(gòu)成決定，取表2中的特殊值。
表2 活性化能量
|
故障的構(gòu)成 |
活性化能量 |
|
氧化膜缺陷
離子性偏移
長時(shí)常數(shù)陷阱
電致徒動(dòng)斷路
金屬腐蝕
金屬間化合物生成 |
0.3～0.4eV
0.7～1.3eV
1.0eV
0.6～1.0eV
0.5～0.7eV
0.5～0.7eV |
圖10表示了將Tj=125℃時(shí)的壽命設(shè)為1之后，相對(duì)壽命與溫度之間的關(guān)系，大致反映了半導(dǎo)體的壽命對(duì)溫度的依賴性。
② 功率循環(huán)
功率晶體管、功率二極管等元件會(huì)隨著能量通斷造成的溫度循環(huán)而發(fā)生熱疲勞。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到這種熱疲勞的影響，并對(duì)照芯片與縫隙、封膜之間的線性膨脹系數(shù)，采用特殊金屬來連接芯片與裂縫，以減輕熱膨脹帶來的機(jī)械性變形。用功率循環(huán)來表示壽命，一般有10，000次以上。從電源的期望壽命來看，需要保持循環(huán)5，000次以上。
P10
5.5 電阻器
電阻的穩(wěn)定性高，故障率為1FIT以下，壽命極長，所以平時(shí)使用時(shí)無需特別留意。然而，因?yàn)殡娮柚禃?huì)發(fā)生變化，如果要求高精度的電阻值，則需要特別注意。用在電源中的誤差放大器、分瓣電阻及標(biāo)準(zhǔn)電壓中使用的電阻等就是用來保證電阻精確度的。圖11舉出了電阻器的電阻經(jīng)時(shí)變化情況。
沖擊電流防護(hù)回路中使用的像電阻器一樣帶有浪涌電力的元件，會(huì)因?yàn)殚_·關(guān)的循環(huán)而發(fā)生熱疲勞，導(dǎo)致斷路。浪涌電力、持續(xù)時(shí)間和循環(huán)次數(shù)成以下關(guān)系。
帶負(fù)荷的衰減波形的耐浪涌特性如圖13所示。將最大的第一波形的峰值電壓（Vp）代入（7）式，可得Vrms,再代入（8）式，可求得額定電力倍數(shù)。這兩個(gè)數(shù)值和衰減時(shí)間常數(shù)r都適用于圖13。該曲線的內(nèi)側(cè)為安全地帶。使用普通的鎳鉻線（耐浪涌）時(shí)，約可承受30,000次浪涌。
（7）
（8）
R：電阻值 ，W：額定功率
時(shí)間常數(shù)是當(dāng)衰減波形的實(shí)效值降至第一波形的0.368倍時(shí)的時(shí)間值，所以其數(shù)值一般從電阻值上的波形照片中獲得。
P11
5.6 熱敏功率電阻器
① 壽命性能
作為沖擊電流防護(hù)回路的部件，使用在較小容量（不超過70W）的電源中。電源接入時(shí)，電流達(dá)到最大值，熱敏電阻隨著溫度的上升，電阻值降低。通常溫度會(huì)上升至70～90℃，雖然熱敏電阻采用的是耐熱材料，但熱疲勞仍然會(huì)影響其壽命。制造商方面的壽命規(guī)格：當(dāng)通過最大允許電流時(shí)，斷續(xù)負(fù)荷的壽命為10,000次循環(huán)。然而，熱敏電阻器在用來防護(hù)沖擊電流時(shí)，電源通入后，電阻上通過的電流會(huì)達(dá)到最大允許電流的10～20倍，所以功率循環(huán)的耐用期也會(huì)縮短。
② 壽命判定
電阻值隨時(shí)間的推移而發(fā)生變化，其變化率超過規(guī)定值時(shí)，壽命即告終止。熱敏功率電阻在用來防護(hù)沖擊電流時(shí)，電阻值會(huì)逐漸變大。表3列出了熱敏電阻壽命性能規(guī)格。
表3 熱敏功率電阻器的壽命性能
|
項(xiàng)目 |
規(guī)格 |
條件 |
|
斷續(xù)負(fù)荷壽命 |
電阻變化率±10% |
常溫常濕，外加最大允許電流1,000小時(shí)，反復(fù)進(jìn)行1分鐘ON—5分鐘OFF的循環(huán) |
|
連續(xù)負(fù)荷壽命 |
電阻變化率±10% |
常溫常濕，連續(xù)外加最大允許電流1,000小時(shí)。
其后放置25℃環(huán)境中1小時(shí)，再進(jìn)行檢測(cè) |
|
潮濕放置 |
電阻變化率±10% |
環(huán)境溫度40±3℃，相對(duì)濕度90～95%，放置1,000小時(shí)。其后放置25℃環(huán)境中1小時(shí)，再進(jìn)行檢測(cè) |
P12
5.7 塑膜電容器
薄膜電容器的故障類型分為開路、絕緣電阻下降和短路。量變過程表現(xiàn)為電介質(zhì)損失的增加（tanδ增大）及靜電容量的減少。
一般來說，薄膜電容器的劣化會(huì)受外加電壓及溫度影響而加速，電壓加速和溫度加速的情況分別適用于5～7倍相乘法和10℃翻倍法。
由下式推算壽命L：
（9）
注： L0：溫度T0、電壓V0時(shí)的壽命
V：實(shí)際外加電壓
T: 使用環(huán)境溫度
n: 5～7
Q: 10℃
電容器制造商通過加速壽命測(cè)試獲得壽命數(shù)據(jù)，從而確定壽命規(guī)格。例如，在溫度為85℃，外加電壓為額定值的1.25倍的條件下，保證壽命在1,000小時(shí)以上。按實(shí)際使用情況來推算壽命時(shí)長，可將上面的保證壽命值代入（9）式中求出。如果充分考慮電壓和溫度折損值，則算出的壽命極為漫長（1,000萬小時(shí)），不過這種低應(yīng)力條件下的壽命推算并沒有什么實(shí)際意義，對(duì)選擇制造商也毫無裨益。
5.8 陶瓷電容器
陶瓷電容器的劣化形式主要為靜電容量減少。外加電壓和溫度會(huì)加快劣化進(jìn)程，其影響效果分別適用于3倍法和20℃翻倍法。電容率高的材料，靜電容量的減少更為明顯。有些高電容率的材料，在使用1,000小時(shí)后，容量變化高達(dá)20%。
推算壽命L通過壽命性能用（9）式求出。但，
L0：外加電壓V0、溫度T0時(shí)的壽命
V：實(shí)際外加電壓
n:3，Q：20℃
陶瓷電容器和薄膜電容器一樣，通過加速壽命測(cè)試取得的數(shù)據(jù)來確定壽命規(guī)格，即以保證值為依據(jù)，由（9）式求得壽命規(guī)格。
P13
5.9 繼電器、開關(guān)
繼電器和開關(guān)的壽命分兩種：一為機(jī)械壽命，一為電壽命。前者由機(jī)械部件的磨損程度決定，包括開關(guān)靈活性下降、繼電器工作時(shí)間和復(fù)位時(shí)間延長等現(xiàn)象。后者主要受絕緣電阻和接點(diǎn)的接觸電阻增大的影響。以上幾種劣化形式中，最需要引起注意的是電感負(fù)載的浪涌電壓引發(fā)的接點(diǎn)電弧現(xiàn)象，以及沖擊電流引發(fā)的接點(diǎn)劣化問題。一般來說，開關(guān)電壓和電流越大，接點(diǎn)壽命越短。功率因數(shù)越小，壽命越短。圖14表示了繼電器的壽命性能。
雖然制造商提供的數(shù)據(jù)并非全然無用，但因?yàn)樨?fù)載狀態(tài)對(duì)壽命性能影響極大，所以最好在回路實(shí)際工作條件下進(jìn)行測(cè)試。圖15、圖16是繼電器的壽命測(cè)試數(shù)據(jù)，圖17、圖18是開關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)。
P14
5.10 印制底板的焊接
① 壽命性能
單面印制底板造價(jià)低，應(yīng)用廣泛，缺點(diǎn)是機(jī)械性能差，制作上限制很多。而且，單面底板的焊接穩(wěn)定性和壽命性能均不如雙面通孔印制底板，所以壽命評(píng)估尤顯重要。圖19是焊接模型。
焊接的劣化分以下三種類型：
a. 導(dǎo)線的張力負(fù)載導(dǎo)致導(dǎo)線的接合面松動(dòng)及銅箔連接部分剝落。
b. 動(dòng)態(tài)負(fù)載引起的焊接與導(dǎo)線部分的松動(dòng)。動(dòng)態(tài)負(fù)載是穩(wěn)定振蕩的負(fù)載。
c. 靜態(tài)負(fù)載引起的焊接蠕變。靜態(tài)負(fù)載就是固定的負(fù)載。蠕變是指靜態(tài)負(fù)載長期積壓,導(dǎo)致焊接內(nèi)部發(fā)生的永久性變形。
② 動(dòng)態(tài)負(fù)載
① 中的a、b 兩種類型是焊接變形受負(fù)載影響，超過彈性界限而引發(fā)的故障。這一過程會(huì)受溫度循環(huán)的影響而加快。圖20舉出了動(dòng)態(tài)負(fù)載造成次品發(fā)生的例子。如本圖所示，將雙接頭部件的導(dǎo)線焊至接合區(qū)，重復(fù)100℃（8小時(shí)）、常溫25℃（16小時(shí)）的循環(huán)，每循環(huán)5次后，于常溫中進(jìn)行1小時(shí)的振動(dòng)測(cè)試，使焊接部分接受動(dòng)態(tài)負(fù)載。次品率是指在反復(fù)進(jìn)行這種循環(huán)處理30次后，單面接合區(qū)的焊接和導(dǎo)線部分發(fā)生接觸不良的比率。
P15
③ 靜態(tài)負(fù)載
金屬材料及塑料材料承受負(fù)載時(shí)，會(huì)發(fā)生變形。這種變形即使未超出彈性界限，也可能會(huì)引發(fā)永久性變形。如圖19所示，在焊接印制底板時(shí)，變形一般發(fā)生在孔與導(dǎo)線的中部。
圖21是針對(duì)印制底板進(jìn)行的焊接蠕變模型試驗(yàn)的結(jié)果（見P70）。試樣采用單面接合區(qū)，接合區(qū)徑2.5mm, 孔徑0.8mm，導(dǎo)線徑0.5mm，加上焊面承受的張力負(fù)載，測(cè)出各種溫度下蠕變量達(dá)到0.5mm所需的時(shí)間。
由此可以看出，焊接印制板時(shí)，如果一根導(dǎo)線上加載的部件重量超過了10g，則對(duì)產(chǎn)品的耐用性及穩(wěn)定性都會(huì)產(chǎn)生不良影響。
④ 蠕變?cè)试S應(yīng)力
如圖19所示，設(shè)焊接中的蠕變發(fā)生面的面積為Sc，靜態(tài)負(fù)載為W，則蠕變應(yīng)力為：
F = W / Sc
在單面印制底板中，蠕變應(yīng)力最好保持在20～30g/m㎡以下。雙面通孔底板中，使用同樣大小的接合區(qū)，應(yīng)力值與單面印制底板相比只有其1/4～1/5大小，所以從提高產(chǎn)品耐用性的角度來說，采用雙面底板好處頗多。
以上就電源裝置的壽命進(jìn)行了一番說明，然而話說回來，即使是發(fā)生了故障，也要保證將故障類型控制在安全的范圍內(nèi)，所謂安全第一，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到。
P16
按照慣例，如無特殊情況，折損率一般定為80%以下。這一數(shù)值含有10%的多余空間和10%的測(cè)定誤差。如果測(cè)定樣品數(shù)量充分，評(píng)估時(shí)能將測(cè)定誤差考慮進(jìn)去，則無需受此限制。再者，如增設(shè)保護(hù)元件，例如晶體管連接器、外加在發(fā)射極之間的雪崩二極管等，此時(shí)可以提高折損率。
表1 部件的折損率標(biāo)準(zhǔn)
|
半導(dǎo)體 |
電壓 |
穩(wěn)定時(shí)間 最大額定值的85%以下
過渡時(shí)間 最大額定值的90%以下 |
|
功率 |
最大額定值的80%以下 |
|
連續(xù)溫度 |
最大額定值的80% |
|
電流 |
最大額定值的80% |
|
光電耦合器 |
CTR（電流傳達(dá)率）50%保證回路工作
If(順電流) 50%以下 |
|
|
功率 |
50%以下 |
|
印制底板 |
|
105℃以下 |
|
變壓器類 |
溫度 |
A種 100℃以下
E種 115℃以下 |
|
開關(guān)、繼電器 |
電壓、電流 |
最大額定值的100% 以下 |
|
電容器 |
電壓 |
90% 以下 |
|
紋波電流 |
80% 以下 |
|
溫度 |
80% 以下
|
|
連接器 |
|
最大額定值的100% 以下 |
|
保險(xiǎn)絲 |
電壓、電流 |
額定電流的70%以下 |
|
導(dǎo)線 |
電流、溫度 |
額定電流、溫度的100%以下 |
業(yè)務(wù)：