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 |
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PC |
额定负荷 |
1 |
使用 8H/天
寿命 8H/天×300天/年×7年＝16,800H |
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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 |
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最小额定负荷 16.244H |
0.05
0.2 |
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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 |
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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。
