數(shù)據(jù)手冊是元器件、 模塊或系統(tǒng)性能的全面的、 經(jīng)測試和經(jīng)驗證信息的完美信息庫。 在電源單元（PSU）的情況下， 數(shù)據(jù)手冊為工程師提供了大量的性能參數(shù)， 包括紋波和噪聲、 效率、 調節(jié)精度、 隔離電壓、 電磁排放量等。 所提供的信息的數(shù)量和詳細程度為用戶在任何給定應用中實現(xiàn)預期性能提供了極大的信心。

但另一個重要的性能參數(shù) – 電源可靠性又如何呢？事實上，當今的知名制造商提供的電源單元（PSU）具有極長的壽命。其壽命在由可靠性標準（如MIL-HDBK-217或Telcordia）規(guī)定的測試條件下進行了精確預測。更重要的是，經(jīng)驗表明，除了這些嚴格定義的參數(shù)之外，高質量的電源單元PSU也提供超長壽命。

但是，系統(tǒng)設計人員仍然面臨一個問題：在這些測試條件以外的條件下操作時，他們?nèi)绾巫孕诺仡A測電源單元（PSU）的平均壽命？各種各樣常見因素可能打破這些條件，如：熱、沖擊和振動、電源電壓的瞬態(tài)波動、電解電容的老化等都可能引起過早失效。因此，數(shù)據(jù)手冊的標準壽命額定值很少完全適用于真實世界的產(chǎn)品。

同時，無法控制最終產(chǎn)品的可靠性是難以接受的。品牌的聲譽是一筆寶貴的財富。處置和維修的環(huán)境和費用成本也是一種浪費。

那么，系統(tǒng)設計工程師怎樣才能自信地預估商用現(xiàn)貨（COTS）電源單元的可靠性？而且，最大限度地提高信心水平的最有效的方法是什么？

制造商的可靠性數(shù)據(jù)的限制

最常用的表征一個新的COTS PSU的壽命的值是故障前平均時間（MTTF）或平均故障間隔時間（MTBF）值。故障前平均時間（MTTF）在恒定工作（環(huán)境）溫度下通常為數(shù)千小時。

當然，故障前平均時間（MTTF）并沒有給出從大量單元中隨機抽取的任何單個單元的失效時間：MTTF是一個平均值。有的單元的壽命比額定MTTF值更長，有的則會更早失效。事實上，假定一個恒定的故障率在電子設備的操作條件下是不切實際的假設，單個單元的壽命能夠持續(xù)到MTTF值的概率只有37％。換句話說，故障前平均時間（MTTF）經(jīng)過69%后，半數(shù)的單元將失效，如圖1所示。


這是因為，具有恒定故障率的故障由一個指數(shù)因子表征，如以下等式所示，用于計算元器件在給定時間后沒有發(fā)生故障的可能性：R（t） = e-λt

其中：

λ = 元器件的平均故障率

PSU制造商采用基于高度加速測試的模型以預測其產(chǎn)品的故障率。他們不能在正常操作條件下運行PSU的測試，并等待觀察故障，因為需要許多年的時間來收集統(tǒng)計顯著性數(shù)據(jù)。因此，他們將其產(chǎn)品暴露于過高的溫度、振動、電流和電壓應力下，以便使它們迅速失效。

顯然，需要一種合理的方法將加速測試的結果轉換成數(shù)據(jù)手冊中的MTTF值；有信譽的PSU制造商應認真核實并完善自己的方法，以確保其能反映用戶的真實世界體驗。

因此，到目前為止，我們也許可以信任由值得信賴的制造商指定的數(shù)據(jù)手冊中的MTTF值。但由于它僅適用于很窄的工作條件，當在一系列競爭產(chǎn)品中進行選擇時，最好僅將它作為一個比較工具。換句話說，MTTF適用于指示在類似條件下經(jīng)過測試的不同PSU的相對壽命。

但是，任何給定應用中的MTTF真實值高度依賴于該應用的操作條件。溫度對壽命的影響最大，但壽命也受輸入和輸出電流和電壓的絕對水平、這些參數(shù)的變化率、機械應力以及其他因素的影響。

因此，盡管MTTF值是基于一系列的“典型”和恒定操作條件而計算的，但許多用戶的應用將在以下條件下運行：

充滿變化

與“典型”值不同

即使應用具有恒定的條件，這些條件也幾乎不可能與數(shù)據(jù)手冊的典型應用條件相同。

因此，當在任何給定的真實世界應用中估計故障率的時候，數(shù)據(jù)手冊中的故障率和可靠性信息僅能提供有限的效用。電源系統(tǒng)設計人員必須設計適應其終端產(chǎn)品的最大可接受的故障率。不管該目標故障率是幾乎為零（在任務關鍵型應用中）還是每10，000小時一次故障（在低成本消費產(chǎn)品的情況下），設計人員都必須具有高度信心，使現(xiàn)場的實際故障率至少達到最低目標。

如上所述，數(shù)據(jù)表中的MTTF不能提供如此高的信心水平，除非在規(guī)定的恒定操作條件下。那么，電源系統(tǒng)設計人員怎樣才能更自信地預測真實世界的故障率？答案是，部分是藝術，部分是科學。

科學是指有信譽的PSU供應商提供的附加數(shù)據(jù)集。例如，村田電源、Vicor和CUI等制造商都提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)：聲明返廠進行維修或更換的PSU故障率觀察值。該聲明基于對每個失效單元的檢查，并提供故障原因分析。

該聲明可以幫助PSU的特定型號的潛在用戶：

通過審查它與現(xiàn)場故障率觀察值之間的相關性來驗證 MTTF的計算，如圖2所示

確定可能引起大多數(shù)故障的特定操作條件、應力或元器件


有信譽的制造商還提供了設計工程師可以學習的如何優(yōu)化其PSU方案的詳細的應用筆記。例如，SL Power等供應商的應用筆記提供了有關熱和機械設計的有用指導，并體現(xiàn)了其設計優(yōu)化過程的細節(jié)深度。遵循制造商的指南將有助于最大限度延長PSU的使用壽命。

第二個附加數(shù)據(jù)點可以根據(jù)請求提供給用戶，例如，Vicor電源：專為用戶應用的典型操作條件而定制的應用專用的MTTF額定值。即使考慮到加速測試方法所固有的不確定性，以及用戶自己的應用操作條件的不確定性，與基于典型工作條件的標準MTTF值相比，該定制MTTF值仍然提供了對用戶應用中的各種Vicor PSU的更可靠的平均故障率預估。

每個有信譽的PSU制造商可提供的第三個數(shù)據(jù)點是熱圖，它顯示了該電源單元的安全操作曲線，以及它如何受到應用中的改變（如增加一個冷卻氣流）的影響。

但是，即使加上這些數(shù)據(jù)，也無法保證可以在任何給定應用中絕對確定地計算平均故障率：變量的數(shù)量影響PSU的工作，制造商測試方法固有的不確定性也太大。事實上，隨機真實世界事件所固有的不確定性的性質已經(jīng)對一些最偉大的科學家提出了挑戰(zhàn)：據(jù)說，Alan Turing這樣對同事描述過這個問題：

“在一個城鎮(zhèn)中，你如何通過看到的隨機車牌最好地估計整個城鎮(zhèn)的出租車數(shù)量？”

那么，科學只提供了部分答案；電源系統(tǒng)設計人員還必須運用工程師的藝術。經(jīng)驗為設計人員提供了對于每個制造商的數(shù)據(jù)的可靠性直覺。通過檢查自己產(chǎn)品的現(xiàn)場故障，OEM設計人員可以建立實際故障率的圖像、故障的原因，并與他們僅基于制造商的數(shù)據(jù)所形成的期望做比較。看它們是否有密切的相關性，或實際上性能更好還是更差？以及與預期性能有多大差距？

工程師對這些問題的直覺有助于加強其通過測量和統(tǒng)計計算結果來預估故障率的信心。

有信心地預測

當數(shù)據(jù)手冊描述了PSU的可靠性或不可靠信息時，它具有明顯的數(shù)學確定性。但是，這些數(shù)據(jù)本身在任何給定應用中預測MTTF時僅提供了有限的信心。

但當設計工程師選擇的PSU來自一家已知的、有信譽的制造商，或者當他們對制造商的數(shù)據(jù)有自己的經(jīng)驗，或受信任的第三方（如電源分銷商）的經(jīng)驗時，他們可以對其壽命性能有更高的信心?？傊@些產(chǎn)品已經(jīng)積累了多年的知識經(jīng)驗，但令人驚訝的是，并非所有經(jīng)驗的獲得都需要很高的代價。

換句話說，幫助工程師對PSU的使用壽命做出良好判斷的不是單純的藝術，也不是單純的科學，而是藝術與科學的結合。



推薦閱讀：

用555定時器如何設計電容測試儀？
十年FPGA開發(fā)經(jīng)驗工程師肺腑之言
適用于 FPGA、GPU 和 ASIC 系統(tǒng)的電源管理
教你如何準確判斷集成電路IC工作與否？
論靜電屏蔽、靜磁屏蔽和高頻電磁場屏蔽的異同