雖然乍一看電源可能不如微處理器或DSP那么迷人，但它們是電子系統的必要組成部分，因為任何電源故障都會導致系統停止運行。其糟糕的性能會影響給定產品的質量。因此，系統設計人員非常關注直接供電故障和性能不佳。換句話說，任何系統中電源的可靠性都至關重要。

要選擇或構建可靠的電源，需要充分了解影響產品可靠性的因素和壓力。本文將探討可靠性的含義以及可靠性和故障率之間的關鍵差異，如CUI題為“電源可靠性考慮因素”的白皮書中所述。1它還將討論像CUI這樣的制造商如何通過提高可靠性來提高可靠性設計，元件選擇和制造過程。一些例子將說明供應商如何在公司制造的AC/DC和DC/DC轉換器模塊中整合和指定這些實踐。

可靠性和故障

在研究提高電源可靠性的過程之前供應，首先要了解其定義以及可靠性和故障率之間的區別。根據CUI的白皮書，可靠性是指在特定條件下運行的供應在給定時間段內正常工作的概率。失敗率是在給定時間單位內失敗的單位的百分比。如圖1所示，它遵循“浴缸”曲線，并由工程師分為三個關鍵階段，包括嬰兒死亡率，使用壽命和磨損。雖然嬰兒死亡率是由于工藝差和質量差的部件造成的，但第二階段是使用壽命，它使故障率保持在低水平并保持恒定，以使供應保持較長時間的正常運行。在磨損階段，即第三階段也是最后階段，當其部件達到其使用壽命時，供應失敗。

圖1：如圖所示，故障率歸類于三個關鍵階段：嬰兒死亡率，使用壽命和磨損（由CUI提供）。雖然可以肯定地預測特定轉換器將在期望的規格內運行多長時間或在多少小時后運行失敗是有爭議的，CUI建議使用概率技術確定供應的預期壽命或失敗。根據白皮書，供應的可靠性取決于許多因素。其中的關鍵是聲音設計，具有足夠的利潤，組件質量，散熱考慮，老化和制造過程。該公司使用以下公式計算組件的可靠性：

從本質上講，組件的選擇對于電源的整體可靠性至關重要。因此，建議必須使用固有可靠的組件來顯著降低故障風險。例如，根據CUI的經驗，電容器是電源中的常見故障點，因此使用壽命更長的電容器有助于提高產品的可靠性。然而，它確實增加了總體成本，因為質量組件成本更高。同樣，磁性元件（變壓器和電感器）也需要特別注意。

另一個可以提高可靠性的因素是使用低于額定規格的元件。例如，當在55°C下使用時，額定在85°C下可靠運行的組件將具有顯著改進的性能。通常情況下，溫度每降低10°C，組件的壽命就會翻倍（圖2）。

圖2：溫度對組件預計壽命的影響（由CUI提供）。 br》此外，CUI建議三種方法來確定故障率。這些包括預測，評估和觀察。在參考白皮書中更詳細地討論了每種方法。預測采用以下標準數據庫之一的組件故障率和預期壽命。這些是MIL-HDBK-217（美國海軍），HRD5（英國電信）和Telcordia（以前是Bellcore）。由于MIL-HDBK-217專注于軍事和商業應用，并產生MTBF數據，因此CUI更喜歡用它來計算其AC/DC和DC/DC轉換器模塊的MTBF。有趣的是，電源制造商更喜歡提供故障率的倒數，即平均故障間隔時間（MTBF）和平均故障時間（MTTF）。因此，根據全球營銷副總裁杰夫施納貝爾（Jeff Schnabel）的說法，MTBF和MTTF基本上是相同的衡量標準，因為它們都是故障率的倒數。然而，Schnabel補充道，“MTBF通常用于修復然后恢復使用的設備。”“盡管有普遍的假設，”Schnabel繼續說道，“它不能保證最短的故障間隔時間，只是平均值。”對于CUI營銷主管而言，MTBF是行業中的標準衡量標準。

雖然了解MTBF在一定溫度范圍內的表現是有幫助的，但電源制造商更愿意在25°C的溫度下進行指定。根據Schnabel的說法，“CUI通常在設計和測試過程中不僅僅在室溫下評估MTBF，并且可以根據要求分享這些信息。”一個典型的和/或好的MTBF取決于應用，Schnabel指出。通用AC/DC墻式適配器通常可以被評定為大約100，000+小時，而用于電信應用的DC/DC將在百萬多小時范圍內。 “部分原因是墻壁適配器很容易更換，而焊接在主板上的DC/DC轉換器不能輕易更換，這樣做可能非常昂貴，”Schnabel斷言。此外，一些產品，如醫療設備，由于患者的健康和安全而需要更高的MTBF，而不是成本和易于更換，Schnabel說。例如，讓我們來看看CUI的365 W AC/DC系列VMS- 365。數據表規定在25°C環境溫度下使用400 LFM強制通風，MIL-HDBK-217E-1和75％額定滿載時的MTBF為300，000小時（典型值）。同樣，160 W AC/DC系列VMS-160的數據表顯示在類似條件下最小MTBF為200，000小時。

如上所述，CUI的DC/DC轉換器額定值要高得多。例如，根據MIL-HDBK-217F方法，1 W DC/DC PDS1-M系列在25°C時的最低額定值為350萬小時;而高達20W的系列PYB20在25°C時每MIL-HDBK-217F提供至少100萬小時。

三種應力

此外，本文突出了三種應力在電源的生命中起著至關重要的作用：熱，機械和電氣。 CUI解釋說，良好而堅固的設計考慮了這些應力中的每一個，并采用適當的步驟來最小化它們的發生和影響。雖然熱應力是最具挑戰性和最有害的，因為它以多種不同的方式出現，但機械應力的影響取決于供應在終端設備中的安裝和使用方式和位置。同樣，當元件超出其額定規格運行時，電氣應力就會出現。例如，電容器的額定電壓可能為100 VDC，但在工作期間電路中會出現150 VDC的尖峰電壓，并且由于電路瞬態或外部ESD，指定處理高達1A電流的電阻會經歷更高電流的脈沖事件。結果是在許多情況下過早老化和早期失效。

因此，白皮書強調了一種考慮到負載和線路瞬態以及噪聲影響的穩健設計。這意味著優秀的設計師謹慎地建立組件參數所需的最小/最大值，以確保可靠的操作。此外，CUI還建議使用像Spice這樣的仿真程序，使用組件和印刷電路板以及互連的真實模型來驗證電源電路的靜態和動態性能。最后，公司強調了布局在實現中的作用可靠的供應。它建議使用短互連來最小化電壓降，以及根據輸出電流的超厚銅包層或母線。另一個提高可靠性的技巧是使用大板電路板用于元件和電流以及足夠的尺寸和電鍍用于通孔。

除了堅固的設計和適當的元件選擇外，高可靠性電源必須利用良好的組裝和制造CUI總結了不損害設計或組件的過程。總之，可靠的電源是多種因素的組合，例如設計和分析，組件，制造過程，老化測試和安裝。沒有一個步驟可以確保可靠供應。