开关电源-寿命评估
第1节 开关电源－寿命评估
1 电源的寿命的定义和期望寿命
众所周知，电子产品的故障如Bath-tub Curve (图1,)所示，分为以下三种类型。
① 减少型(DFR；Decreasing Failure Rate)
初期，带有缺陷的部分会发生故障，但随着时间的推移，剩下的都是稳定的部件，故障率亦会下降。这段时间称为初期故障期。
② 一定型(CFR; Constant Failure Rate)
此时，机器运行稳定，故障率降至一定水平，发生的故障均为随机性事件，称为偶发性故障期。这段时期的稳定度和平均故障时间(MTBF)呈指数式分布。
③ 增加型(IFR；Increasing Failure Rate)
故障率逐渐上升。故障发生原因为磨损。多见于风扇电动机的球形轴承及继电器的驱动部位等处。这种类型的故障具有集中某处发生的特征，一般从初期开始即呈正态分布。
因此，可以说寿命就是指机器故障率保持不变的稳定运行时期，也就是偶发故障期。
用户对电源的最低寿命的要求各不相同，一般最好考虑为7~10年。然而，机器的运行时间因机而异，所以应明确限定期望寿命，并检测设计是否符合寿命标准。
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表1中列举了几种主要电器的最短寿命。
它们是在设定完全使用时间为7年的前提下，根据各种电器的运行状况推算出来的数据。
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用途 |
必 要 寿 命 |
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时间 |
负荷比 |
时间计算 |
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printer |
额定负荷 4.200H |
1 |
最大额定负荷 8－2H/天
最小额定负荷 2H/天
使用天数 300天/年
最大额定负荷寿命 ６H/天×300天/年×7年＝12.600H
最小额定负荷寿命 ２H/天×300天/年×7年＝4.200H |
|
最大额定负荷12.600H |
1 |
|
PC |
额定负荷 |
1 |
使用 8H/天
寿命 8H/天×300天/年×7年＝16,800H |
|
PPC |
额定负荷 556H |
1 |
PCB个数 500,000个/寿命
最小负荷时间 500,000个×分/个×（H/分）＝556H
最大额定负荷 （8H/天×300天×7年）－556H＝16.244H |
|
最小额定负荷 16.244H |
0.05
0.2 |
|
FAX |
额定负荷 5.500H |
1 |
最小额定负荷 2H/天×365天/年×7年＝5.110H
最大额定负荷 (24H/天×365天/年×7年）-5.110H=56.210H |
|
最小额定负荷 |
0.1 |
2 电源装置的寿命评估
电源装置因为处理电流的缘故，所用部件受到的电应力大，发热量高，机器内部温度上升快，所以寿命评估工作尤显重要。机器的寿命基本上和使用部件的寿命挂钩。部件寿命与热、电应力成函数关系，其中更以热应力为主。
从机器寿命设计的观点来看，如果将所有部件的寿命统一，则能达到理想的最优性价比，但部件的寿命性能（影响部件寿命的电力、环境特征）相差巨大，因而难以实现。一般来说，尽可能降低短寿部件的应力，并极限化使用长寿部件，可以实现部件寿命的平均化。
电阻类、陶瓷电容器和薄膜电容器等半导体部件不接触强应力，寿命极长，因而可以说下面举出的部件的寿命才真正决定了电源的寿命。
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3 决定寿命的主要部件
① 电解电容器
电解电容器的封口部位会漏出气化的电解液，这种现象会随着温度的升高而加速，一般认为温度每上升10℃，泄漏速度会提高至2倍。因此可以说电解电容器决定了电源装置的寿命。
② 开关晶体管、高速功率二极管
此类部件在性能界限内使用时，基本上可以维持7~10年的寿命，但电源通断（能量循环）时产生的物理应力、热应力会导致元件劣化，提前损坏。
③ 风扇
球形轴承及轴承的润滑油枯竭、机械装置部件的磨损，会加速风扇的老化。加之近年的DC风扇的驱动回路开始使用电解电容器等部件，所以有必要将回路部件寿命等因素也一并考虑进去。
④ 光电耦合器
电流传达率（CTR；Current Transfer Ratio）随着时间的推移会逐渐减少，结果发光二极管的电流不断增大，有时会达到最大限制电流，致使系统失控。
⑤ 开关
多数开关电源设有电容器输入型的整流回路，在通入电源时，会产生浪涌电流，导致开关接点疲劳，引发接触电阻增大及吸附等问题。理论上认为，在电源期望寿命期间，开关的通断次数约有5,000回。
⑥冲击电流保护电阻、热敏功率电阻器
为抵抗电源通入时产生的冲击电流，设计者将电阻与SCR等元件并联起来使用。电源通入时的电力峰值高达额定数值的数十倍至数百倍，结果导致电阻热疲劳，引起断路。处在相同情况下的热敏功率电阻器也会发生热疲劳现象。
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4 寿命测试
4.1 寿命测试的意义
为保证装置的寿命，可以从构成装置的部件及材料的寿命来推算装置总体的寿命，从而代替了对装置本身的寿命测试，然而，推测毕竟只是推测，要想真正保障寿命，就必须切实搞好测试工作。另一方面，电源机器是整个装置的心脏部位，与其他部分相比，要求有更高的稳定性。通过统计来确定产品的耐用寿命，本是很普通的工作，但在这里，测试所耗费的样品、时间和费用等成本颇为可观。要解决这个难题，可以考虑采用以下三种方法：
① 依据储存数据和过去的实际经验，挑出短寿部件，对其进行专门的寿命测试，从而推算出整个电源装置的寿命。
② 严格限制故障标准，从严判定故障。
③ 提高测试时的应力值，或者增加重复电源通断的次数。在易出故障的条件下，缩短检测时间，从严判定故障。
第①条要求操作者充分把握部件的使用状态，因为万一个别部件所受的应力超过预计，则有可能导致判断失误。需要注意的是：设计电源装置时必须考虑到所有部分的耐用寿命和稳定性，所以这种寿命测试不仅可以推算出机器的耐用寿命，更可以有效排除制造商方面的设计失误及漏洞。电源机器的设计也要考虑到用户的使用条件，但是因为用户未必都能充分把握有关规格要求，所以测试包括电源装置在内的机器总体的寿命是很有效的手段。这种做法也有利于用户方面对制造商进行比较，增强厂家竞争力。
4.2 故障类型与故障构成
有关寿命的故障类型是指部件故障的外在表现，例如电源装置中出现的输出值下降，输出电压异常上升等问题。这些类型是部件的故障类型中的短路、开路和特性值改变引起的表现。
故障构成在这里是指引发个别部件的故障的理论模型，也就是说从材料化学、原子分子的层面上看，部件发生故障的原因是什么。关于故障构成的知识将会在下文中就不同部件详细说明。
要想研究寿命测试的方法，必须先将故障类型与故障构成的相互关系理清。图2标明了二者间的关系。
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4.3 加速寿命测试
寿命测试需要大量样品和很多时间，故而一般采用加速寿命测试法。
4.3.1 加速要求
寿命加速的允许范围是指能够保证随着应力的增强，故障结构不变，而特性值变化的形式、故障时间的分布、平均寿命和故障率等发生规则变化的条件。应力如果过强，则会导致其它的劣化现象，所以应留意应力值的设定。
4.3.2 劣化反应与加速系数
部件及材料的特性值会随着基本物质的扩散、氧化和再结晶等反应而发生劣化。
设特性值为φ，反应速度为K，K与φ的关系如下：
df(φ)/dt=K (1)
因此，f(φ)=Kt (2)
假设特性值 φ达到故障标准a时，寿命L就将结束。
则由（2）可得
f(a)=K·L
寿命的加速系数AL为
AL= LN/L = K/KN （3）
LN 、KN各为基准值
另，根据阿列里乌斯推论，加速系数为
AL≒2⊿T/θT （4）
但，⊿T = T – TN
θT=T – TN
θr=（T·TN LN2）/B
B：相应的活性化能源除以玻耳兹曼常数所得的特殊常数。
（注：玻耳兹曼常数为1.3709×10-10 尔格/绝对温度。）
TN：标准温度。
一般电器的θr值基本上为10℃左右，所以（4）式被称为10℃2倍定律，但这种关系式并非总是能够成立。电子部件在接近常温时，每上升10℃，寿命约减少至2/3～1/2。
4.3.3 故障构成与寿命测试
寿命测试的内容依据故障构成来设定。如图3所示，由5种测试组成。
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4.3.4 高温断续测试的要求
诸如继电器、开关和电扇等机械性部件，以及功率晶体管，功率二极管等部件的升温现象很严重，因而有必要进行高温断续测试。通过切断和通入输入电源，使元件反复进行升温和冷却的周期循环，从而测得元件对热疲劳的耐力。实际操作时需要重复循环 5，000～10，000次。
环境温度：50～80℃
断续循环： 5,000～10,000次
检测项目：逐次检测元件的一般性能.
本测试亦可与高温连续测试组合使用。
4.3.5 高温连续寿命测试的要求
环境温度：50～80℃
连续通电时间： 1,000～3,000小时
检测项目：一般性能（输入电压变化、输出电流变化、脉动电压和输出电压偏差）
不同的机器所要求的环境温度及连续通电时间也不尽相同，一般按照下面的方法求出。假定电源装置的机器外部环境温度平均为25℃，考虑到机器内部的升温因素，电源周围的温度比机器外部约高10～15℃，即35～40℃。当然，特殊用途的电源不在此限。
电源的期望寿命平均为40,000小时，由阿列里乌斯公式可得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）
设定环境温度前，有必要了解装置的温度上限。可采用所谓的淘汰测试法，逐级提高温度直至测试对象报废，从而测得对象的耐温上限。电源机器的极限温度为70～90℃，如果能将环境温度提高到此种程度，则可以加快机器寿命的终结。此外，电解电容器是最脆弱的部件，因而有必要事先获悉其寿命值，并且在进行测试时，确保基本上不超过其温度上限。
例如，设T=75℃，则由（5）式可得L=2,500小时。
4.3.6 高温高湿测试
针对金属部件的腐蚀、塑料部件的分解等造成的机械强度和绝缘耐力下降等故障，宜进行高温高湿测试。要求如下：
环境温度：40～50℃
相对湿度：90～95%
放置时间：96小时（通电或不通电）
检测项目：按上述要求放置后，取出放置在常温常湿下30分钟，进行一般性能、振动测试、绝缘耐力测试和外观检查。
4.3.7温度循环测试
环境温度的高低差产生季节裂纹等变温性应力，从而导致焊接、塑模部件发生故障。进行本测试即是为了检测出这种故障是否存在。要求如下：
环境温度：高温 50～60℃
常温 25℃
低温 －5～－10℃
P7
将测试用电源放入上述三个恒温箱中各5～10小时，重复高温—常温—低温—常温—高温的循环30～50次。
检测项目：一般性能、振动测试和外观检查。
5 部件的寿命评估
5.1 电解电容器
① 寿命性能
电解电容器的寿命结束形式为磨损故障，决定寿命的主要因素为静电容量、损失角的正切（tanδ）、漏电流等。随着时间的推移，静电容量减少，tanδ增大。漏电流在外加电压时有增加的趋势，所以对负荷的寿命影响不大。
② 寿命的判定
用百分比来表示静电容量相对于起始值的变化率，一般达到－20%以下时即告寿命结束。tanδ的值在超过规定值时寿命结束。漏电流在零负荷的情况下有增加的趋势，同理，在超过规定值时寿命结束。
③ 影响寿命的主要原因
前面讲到的特性之所以会产生劣化，其主要原因在于电解液。随着温度的上升，电解液气化，经电容器的封口部位向外泄漏，内部的电解液不断减少。随着电解液量的减少，tanδ会逐渐增大，结果，脉冲电流经由时产生的发热量增大，又进一步加快了劣化过程。这种关系如图4、图5所示。
④ 寿命的推算
铝电解电容器的近似寿命可以由环境温度与脉冲电流引起的自发热温度中推得。下面的式子表现了寿命与环境温度之间的关系。
（6）
在这里，L1=温度T1时的寿命
L2=温度T2时的寿命
T1=最高保证温度或测试温度＋脉冲发热温度
T2=推算寿命时的环境温度＋脉冲发热温度
要求 T1 > T2
测定脉冲发热的升温值时，需避开其它热辐射。另外，小型电解电容器受热极易升温，最好进行表面温度实测。
5.2 光电耦合器
GaAs系的红外发光二极管多使用光电耦合器。这种发光二极管的发光效率的退化会导致CTR（电流传达率）下降，其它的CTR劣化形式还有芯片面的光结合树脂剥离。温度越高，P8
CTR的下降也越快。同时，二极管电流越大，CTR下降也越快。图6、图7标明了这些因素间的关系。
CTR降至起始值的50%所耗的时间称为半衰期。电源回路的统计中以此为限界值，所以可以认为半衰期就是寿命时间。通常条件下，半衰期为5万～10万小时，但所有的光电耦合器都具有如图8所示的寿命值，因而在进行寿命评估之前最好确认一次。
5.3 风扇
风扇的寿命受轴承及球形轴承的磨损程度影响。轴承部分因旋转而发热，风扇自身虽能进行一定程度的冷却，但不能从根本上解决发热问题。测出轴承部位的升温值，升温值越小，质量越好，由此来选择合适的制造商。
图6（左上图）保存温度对CTR的径时变化
图7（右上图）动作试验与CTR的径时变化
轴承部位的润滑油干枯及轴承的磨损导致转数下降，噪音增大，加快了寿命的终结。关于转数的减少，各制造商的标准不尽相同，但一般以起始值的3～5%为上限。寿命随着温度的上升而缩短。普通的DC无刷电动机在40℃的环境下，寿命约为40，000小时，廉价的金属轴承风扇约为10，000小时。图9标出了风扇的寿命的特性值。另外，DC风扇的寿命还受内脏部分——电动机驱动回路影响。风扇中经常会用到铝电解电容器，因此有必要将电容器拆开检查（铝电解是105℃部件吧）。
P9
5.4 半导体
① 寿命性能
阿列里乌斯反应速度公式同样适用于半导体的寿命。根据上面提到过的（4）式，寿命L与温度T之间有如下关系：
A：常数
E0：活性化能量
k:玻耳兹曼常数
活性化能量由故障的构成决定，取表2中的特殊值。
表2 活性化能量
|
故障的构成 |
活性化能量 |
|
氧化膜缺陷
离子性偏移
长时常数陷阱
电致徒动断路
金属腐蚀
金属间化合物生成 |
0.3～0.4eV
0.7～1.3eV
1.0eV
0.6～1.0eV
0.5～0.7eV
0.5～0.7eV |
图10表示了将Tj=125℃时的寿命设为1之后，相对寿命与温度之间的关系，大致反映了半导体的寿命对温度的依赖性。
② 功率循环
功率晶体管、功率二极管等元件会随着能量通断造成的温度循环而发生热疲劳。设计时，应考虑到这种热疲劳的影响，并对照芯片与缝隙、封膜之间的线性膨胀系数，采用特殊金属来连接芯片与裂缝，以减轻热膨胀带来的机械性变形。用功率循环来表示寿命，一般有10，000次以上。从电源的期望寿命来看，需要保持循环5，000次以上。
P10
5.5 电阻器
电阻的稳定性高，故障率为1FIT以下，寿命极长，所以平时使用时无需特别留意。然而，因为电阻值会发生变化，如果要求高精度的电阻值，则需要特别注意。用在电源中的误差放大器、分瓣电阻及标准电压中使用的电阻等就是用来保证电阻精确度的。图11举出了电阻器的电阻经时变化情况。
冲击电流防护回路中使用的像电阻器一样带有浪涌电力的元件，会因为开·关的循环而发生热疲劳，导致断路。浪涌电力、持续时间和循环次数成以下关系。
带负荷的衰减波形的耐浪涌特性如图13所示。将最大的第一波形的峰值电压（Vp）代入（7）式，可得Vrms,再代入（8）式，可求得额定电力倍数。这两个数值和衰减时间常数r都适用于图13。该曲线的内侧为安全地带。使用普通的镍铬线（耐浪涌）时，约可承受30,000次浪涌。
（7）
（8）
R：电阻值 ，W：额定功率
时间常数是当衰减波形的实效值降至第一波形的0.368倍时的时间值，所以其数值一般从电阻值上的波形照片中获得。
P11
5.6 热敏功率电阻器
① 寿命性能
作为冲击电流防护回路的部件，使用在较小容量（不超过70W）的电源中。电源接入时，电流达到最大值，热敏电阻随着温度的上升，电阻值降低。通常温度会上升至70～90℃，虽然热敏电阻采用的是耐热材料，但热疲劳仍然会影响其寿命。制造商方面的寿命规格：当通过最大允许电流时，断续负荷的寿命为10,000次循环。然而，热敏电阻器在用来防护冲击电流时，电源通入后，电阻上通过的电流会达到最大允许电流的10～20倍，所以功率循环的耐用期也会缩短。
② 寿命判定
电阻值随时间的推移而发生变化，其变化率超过规定值时，寿命即告终止。热敏功率电阻在用来防护冲击电流时，电阻值会逐渐变大。表3列出了热敏电阻寿命性能规格。
表3 热敏功率电阻器的寿命性能
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项目 |
规格 |
条件 |
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断续负荷寿命 |
电阻变化率±10% |
常温常湿，外加最大允许电流1,000小时，反复进行1分钟ON—5分钟OFF的循环 |
|
连续负荷寿命 |
电阻变化率±10% |
常温常湿，连续外加最大允许电流1,000小时。
其后放置25℃环境中1小时，再进行检测 |
|
潮湿放置 |
电阻变化率±10% |
环境温度40±3℃，相对湿度90～95%，放置1,000小时。其后放置25℃环境中1小时，再进行检测 |
P12
5.7 塑膜电容器
薄膜电容器的故障类型分为开路、绝缘电阻下降和短路。量变过程表现为电介质损失的增加（tanδ增大）及静电容量的减少。
一般来说，薄膜电容器的劣化会受外加电压及温度影响而加速，电压加速和温度加速的情况分别适用于5～7倍相乘法和10℃翻倍法。
由下式推算寿命L：
（9）
注： L0：温度T0、电压V0时的寿命
V：实际外加电压
T: 使用环境温度
n: 5～7
Q: 10℃
电容器制造商通过加速寿命测试获得寿命数据，从而确定寿命规格。例如，在温度为85℃，外加电压为额定值的1.25倍的条件下，保证寿命在1,000小时以上。按实际使用情况来推算寿命时长，可将上面的保证寿命值代入（9）式中求出。如果充分考虑电压和温度折损值，则算出的寿命极为漫长（1,000万小时），不过这种低应力条件下的寿命推算并没有什么实际意义，对选择制造商也毫无裨益。
5.8 陶瓷电容器
陶瓷电容器的劣化形式主要为静电容量减少。外加电压和温度会加快劣化进程，其影响效果分别适用于3倍法和20℃翻倍法。电容率高的材料，静电容量的减少更为明显。有些高电容率的材料，在使用1,000小时后，容量变化高达20%。
推算寿命L通过寿命性能用（9）式求出。但，
L0：外加电压V0、温度T0时的寿命
V：实际外加电压
n:3，Q：20℃
陶瓷电容器和薄膜电容器一样，通过加速寿命测试取得的数据来确定寿命规格，即以保证值为依据，由（9）式求得寿命规格。
P13
5.9 继电器、开关
继电器和开关的寿命分两种：一为机械寿命，一为电寿命。前者由机械部件的磨损程度决定，包括开关灵活性下降、继电器工作时间和复位时间延长等现象。后者主要受绝缘电阻和接点的接触电阻增大的影响。以上几种劣化形式中，最需要引起注意的是电感负载的浪涌电压引发的接点电弧现象，以及冲击电流引发的接点劣化问题。一般来说，开关电压和电流越大，接点寿命越短。功率因数越小，寿命越短。图14表示了继电器的寿命性能。
虽然制造商提供的数据并非全然无用，但因为负载状态对寿命性能影响极大，所以最好在回路实际工作条件下进行测试。图15、图16是继电器的寿命测试数据，图17、图18是开关的测试数据。
P14
5.10 印制底板的焊接
① 寿命性能
单面印制底板造价低，应用广泛，缺点是机械性能差，制作上限制很多。而且，单面底板的焊接稳定性和寿命性能均不如双面通孔印制底板，所以寿命评估尤显重要。图19是焊接模型。
焊接的劣化分以下三种类型：
a. 导线的张力负载导致导线的接合面松动及铜箔连接部分剥落。
b. 动态负载引起的焊接与导线部分的松动。动态负载是稳定振荡的负载。
c. 静态负载引起的焊接蠕变。静态负载就是固定的负载。蠕变是指静态负载长期积压,导致焊接内部发生的永久性变形。
② 动态负载
① 中的a、b 两种类型是焊接变形受负载影响，超过弹性界限而引发的故障。这一过程会受温度循环的影响而加快。图20举出了动态负载造成次品发生的例子。如本图所示，将双接头部件的导线焊至接合区，重复100℃（8小时）、常温25℃（16小时）的循环，每循环5次后，于常温中进行1小时的振动测试，使焊接部分接受动态负载。次品率是指在反复进行这种循环处理30次后，单面接合区的焊接和导线部分发生接触不良的比率。
P15
③ 静态负载
金属材料及塑料材料承受负载时，会发生变形。这种变形即使未超出弹性界限，也可能会引发永久性变形。如图19所示，在焊接印制底板时，变形一般发生在孔与导线的中部。
图21是针对印制底板进行的焊接蠕变模型试验的结果（见P70）。试样采用单面接合区，接合区径2.5mm, 孔径0.8mm，导线径0.5mm，加上焊面承受的张力负载，测出各种温度下蠕变量达到0.5mm所需的时间。
由此可以看出，焊接印制板时，如果一根导线上加载的部件重量超过了10g，则对产品的耐用性及稳定性都会产生不良影响。
④ 蠕变允许应力
如图19所示，设焊接中的蠕变发生面的面积为Sc，静态负载为W，则蠕变应力为：
F = W / Sc
在单面印制底板中，蠕变应力最好保持在20～30g/m㎡以下。双面通孔底板中，使用同样大小的接合区，应力值与单面印制底板相比只有其1/4～1/5大小，所以从提高产品耐用性的角度来说，采用双面底板好处颇多。
以上就电源装置的寿命进行了一番说明，然而话说回来，即使是发生了故障，也要保证将故障类型控制在安全的范围内，所谓安全第一，这点在设计时必须要考虑到。
P16
按照惯例，如无特殊情况，折损率一般定为80%以下。这一数值含有10%的多余空间和10%的测定误差。如果测定样品数量充分，评估时能将测定误差考虑进去，则无需受此限制。再者，如增设保护元件，例如晶体管连接器、外加在发射极之间的雪崩二极管等，此时可以提高折损率。
表1 部件的折损率标准
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半导体 |
电压 |
稳定时间 最大额定值的85%以下
过渡时间 最大额定值的90%以下 |
|
功率 |
最大额定值的80%以下 |
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连续温度 |
最大额定值的80% |
|
电流 |
最大额定值的80% |
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光电耦合器 |
CTR（电流传达率）50%保证回路工作
If(顺电流) 50%以下 |
|
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功率 |
50%以下 |
|
印制底板 |
|
105℃以下 |
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变压器类 |
温度 |
A种 100℃以下
E种 115℃以下 |
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开关、继电器 |
电压、电流 |
最大额定值的100% 以下 |
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电容器 |
电压 |
90% 以下 |
|
纹波电流 |
80% 以下 |
|
温度 |
80% 以下
|
|
连接器 |
|
最大额定值的100% 以下 |
|
保险丝 |
电压、电流 |
额定电流的70%以下 |
|
导线 |
电流、温度 |
额定电流、温度的100%以下 |
业务：
