開關電源-壽命評估
第1節 開關電源－壽命評估
1 電源的壽命的定義和期望壽命
眾所周知，電子產品的故障如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，帶有缺陷的部分會發生故障，但隨著時間的推移，剩下的都是穩定的部件，故障率亦會下降。這段時間稱為初期故障期。
② 一定型(CFR; Constant Failure Rate)
此時，機器運行穩定，故障率降至一定水平，發生的故障均為隨機性事件，稱為偶發性故障期。這段時期的穩定度和平均故障時間(MTBF)呈指數式分布。
③ 增加型(IFR；Increasing Failure Rate)
故障率逐漸上升。故障發生原因為磨損。多見于風扇電動機的球形軸承及繼電器的驅動部位等處。這種類型的故障具有集中某處發生的特征，一般從初期開始即呈正態分布。
因此，可以說壽命就是指機器故障率保持不變的穩定運行時期，也就是偶發故障期。
用戶對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，機器的運行時間因機而異，所以應明確限定期望壽命，并檢測設計是否符合壽命標準。
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表1中列舉了幾種主要電器的最短壽命。
它們是在設定完全使用時間為7年的前提下，根據各種電器的運行狀況推算出來的數據。
|
用途 |
必 要 壽 命 |
|
時間 |
負荷比 |
時間計算 |
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printer |
額定負荷 4.200H |
1 |
最大額定負荷 8－2H/天
最小額定負荷 2H/天
使用天數 300天/年
最大額定負荷壽命 ６H/天×300天/年×7年＝12.600H
最小額定負荷壽命 ２H/天×300天/年×7年＝4.200H |
|
最大額定負荷12.600H |
1 |
|
PC |
額定負荷 |
1 |
使用 8H/天
壽命 8H/天×300天/年×7年＝16,800H |
|
PPC |
額定負荷 556H |
1 |
PCB個數 500,000個/壽命
最小負荷時間 500,000個×分/個×（H/分）＝556H
最大額定負荷 （8H/天×300天×7年）－556H＝16.244H |
|
最小額定負荷 16.244H |
0.05
0.2 |
|
FAX |
額定負荷 5.500H |
1 |
最小額定負荷 2H/天×365天/年×7年＝5.110H
最大額定負荷 (24H/天×365天/年×7年）-5.110H=56.210H |
|
最小額定負荷 |
0.1 |
2 電源裝置的壽命評估
電源裝置因為處理電流的緣故，所用部件受到的電應力大，發熱量高，機器內部溫度上升快，所以壽命評估工作尤顯重要。機器的壽命基本上和使用部件的壽命掛鉤。部件壽命與熱、電應力成函數關系，其中更以熱應力為主。
從機器壽命設計的觀點來看，如果將所有部件的壽命統一，則能達到理想的最優性價比，但部件的壽命性能（影響部件壽命的電力、環境特征）相差巨大，因而難以實現。一般來說，盡可能降低短壽部件的應力，并極限化使用長壽部件，可以實現部件壽命的平均化。
電阻類、陶瓷電容器和薄膜電容器等半導體部件不接觸強應力，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漏出氣化的電解液，這種現象會隨著溫度的升高而加速，一般認為溫度每上升10℃，泄漏速度會提高至2倍。因此可以說電解電容器決定了電源裝置的壽命。
② 開關晶體管、高速功率二極管
此類部件在性能界限內使用時，基本上可以維持7~10年的壽命，但電源通斷（能量循環）時產生的物理應力、熱應力會導致元件劣化，提前損壞。
③ 風扇
球形軸承及軸承的潤滑油枯竭、機械裝置部件的磨損，會加速風扇的老化。加之近年的DC風扇的驅動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去。
④ 光電耦合器
電流傳達率（CTR；Current Transfer Ratio）隨著時間的推移會逐漸減少，結果發光二極管的電流不斷增大，有時會達到最大限制電流，致使系統失控。
⑤ 開關
多數開關電源設有電容器輸入型的整流回路，在通入電源時，會產生浪涌電流，導致開關接點疲勞，引發接觸電阻增大及吸附等問題。理論上認為，在電源期望壽命期間，開關的通斷次數約有5,000回。
⑥沖擊電流保護電阻、熱敏功率電阻器
為抵抗電源通入時產生的沖擊電流，設計者將電阻與SCR等元件并聯起來使用。電源通入時的電力峰值高達額定數值的數十倍至數百倍，結果導致電阻熱疲勞，引起斷路。處在相同情況下的熱敏功率電阻器也會發生熱疲勞現象。
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4 壽命測試
4.1 壽命測試的意義
為保證裝置的壽命，可以從構成裝置的部件及材料的壽命來推算裝置總體的壽命，從而代替了對裝置本身的壽命測試，然而，推測畢竟只是推測，要想真正保障壽命，就必須切實搞好測試工作。另一方面，電源機器是整個裝置的心臟部位，與其他部分相比，要求有更高的穩定性。通過統計來確定產品的耐用壽命，本是很普通的工作，但在這里，測試所耗費的樣品、時間和費用等成本頗為可觀。要解決這個難題，可以考慮采用以下三種方法：
① 依據儲存數據和過去的實際經驗，挑出短壽部件，對其進行專門的壽命測試，從而推算出整個電源裝置的壽命。
② 嚴格限制故障標準，從嚴判定故障。
③ 提高測試時的應力值，或者增加重復電源通斷的次數。在易出故障的條件下，縮短檢測時間，從嚴判定故障。
第①條要求操作者充分把握部件的使用狀態，因為萬一個別部件所受的應力超過預計，則有可能導致判斷失誤。需要注意的是：設計電源裝置時必須考慮到所有部分的耐用壽命和穩定性，所以這種壽命測試不僅可以推算出機器的耐用壽命，更可以有效排除制造商方面的設計失誤及漏洞。電源機器的設計也要考慮到用戶的使用條件，但是因為用戶未必都能充分把握有關規格要求，所以測試包括電源裝置在內的機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制造商進行比較，增強廠家競爭力。
4.2 故障類型與故障構成
有關壽命的故障類型是指部件故障的外在表現，例如電源裝置中出現的輸出值下降，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。
故障構成在這里是指引發個別部件的故障的理論模型，也就是說從材料化學、原子分子的層面上看，部件發生故障的原因是什么。關于故障構成的知識將會在下文中就不同部件詳細說明。
要想研究壽命測試的方法，必須先將故障類型與故障構成的相互關系理清。圖2標明了二者間的關系。
P5
4.3 加速壽命測試
壽命測試需要大量樣品和很多時間，故而一般采用加速壽命測試法。
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力的增強，故障結構不變，而特性值變化的形式、故障時間的分布、平均壽命和故障率等發生規則變化的條件。應力如果過強，則會導致其它的劣化現象，所以應留意應力值的設定。
4.3.2 劣化反應與加速系數
部件及材料的特性值會隨著基本物質的擴散、氧化和再結晶等反應而發生劣化。
設特性值為φ，反應速度為K，K與φ的關系如下：
df(φ)/dt=K (1)
因此，f(φ)=Kt (2)
假設特性值 φ達到故障標準a時，壽命L就將結束。
則由（2）可得
f(a)=K·L
壽命的加速系數AL為
AL= LN/L = K/KN （3）
LN 、KN各為基準值
另，根據阿列里烏斯推論，加速系數為
AL≒2⊿T/θT （4）
但，⊿T = T – TN
θT=T – TN
θr=（T·TN LN2）/B
B：相應的活性化能源除以玻耳茲曼常數所得的特殊常數。
（注：玻耳茲曼常數為1.3709×10-10 爾格/絕對溫度。）
TN：標準溫度。
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，但這種關系式并非總是能夠成立。電子部件在接近常溫時，每上升10℃，壽命約減少至2/3～1/2。
4.3.3 故障構成與壽命測試
壽命測試的內容依據故障構成來設定。如圖3所示，由5種測試組成。
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4.3.4 高溫斷續測試的要求
諸如繼電器、開關和電扇等機械性部件，以及功率晶體管，功率二極管等部件的升溫現象很嚴重，因而有必要進行高溫斷續測試。通過切斷和通入輸入電源，使元件反復進行升溫和冷卻的周期循環，從而測得元件對熱疲勞的耐力。實際操作時需要重復循環 5，000～10，000次。
環境溫度：50～80℃
斷續循環： 5,000～10,000次
檢測項目：逐次檢測元件的一般性能.
本測試亦可與高溫連續測試組合使用。
4.3.5 高溫連續壽命測試的要求
環境溫度：50～80℃
連續通電時間： 1,000～3,000小時
檢測項目：一般性能（輸入電壓變化、輸出電流變化、脈動電壓和輸出電壓偏差）
不同的機器所要求的環境溫度及連續通電時間也不盡相同，一般按照下面的方法求出。假定電源裝置的機器外部環境溫度平均為25℃，考慮到機器內部的升溫因素，電源周圍的溫度比機器外部約高10～15℃，即35～40℃。當然，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，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）
設定環境溫度前，有必要了解裝置的溫度上限。可采用所謂的淘汰測試法，逐級提高溫度直至測試對象報廢，從而測得對象的耐溫上限。電源機器的極限溫度為70～90℃，如果能將環境溫度提高到此種程度，則可以加快機器壽命的終結。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，并且在進行測試時，確保基本上不超過其溫度上限。
例如，設T=75℃，則由（5）式可得L=2,500小時。
4.3.6 高溫高濕測試
針對金屬部件的腐蝕、塑料部件的分解等造成的機械強度和絕緣耐力下降等故障，宜進行高溫高濕測試。要求如下：
環境溫度：40～50℃
相對濕度：90～95%
放置時間：96小時（通電或不通電）
檢測項目：按上述要求放置后，取出放置在常溫常濕下30分鐘，進行一般性能、振動測試、絕緣耐力測試和外觀檢查。
4.3.7溫度循環測試
環境溫度的高低差產生季節裂紋等變溫性應力，從而導致焊接、塑模部件發生故障。進行本測試即是為了檢測出這種故障是否存在。要求如下：
環境溫度：高溫 50～60℃
常溫 25℃
低溫 －5～－10℃
P7
將測試用電源放入上述三個恒溫箱中各5～10小時，重復高溫—常溫—低溫—常溫—高溫的循環30～50次。
檢測項目：一般性能、振動測試和外觀檢查。
5 部件的壽命評估
5.1 電解電容器
① 壽命性能
電解電容器的壽命結束形式為磨損故障，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。隨著時間的推移，靜電容量減少，tanδ增大。漏電流在外加電壓時有增加的趨勢，所以對負荷的壽命影響不大。
② 壽命的判定
用百分比來表示靜電容量相對于起始值的變化率，一般達到－20%以下時即告壽命結束。tanδ的值在超過規定值時壽命結束。漏電流在零負荷的情況下有增加的趨勢，同理，在超過規定值時壽命結束。
③ 影響壽命的主要原因
前面講到的特性之所以會產生劣化，其主要原因在于電解液。隨著溫度的上升，電解液氣化，經電容器的封口部位向外泄漏，內部的電解液不斷減少。隨著電解液量的減少，tanδ會逐漸增大，結果，脈沖電流經由時產生的發熱量增大，又進一步加快了劣化過程。這種關系如圖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境溫度與脈沖電流引起的自發熱溫度中推得。下面的式子表現了壽命與環境溫度之間的關系。
（6）
在這里，L1=溫度T1時的壽命
L2=溫度T2時的壽命
T1=最高保證溫度或測試溫度＋脈沖發熱溫度
T2=推算壽命時的環境溫度＋脈沖發熱溫度
要求 T1 > T2
測定脈沖發熱的升溫值時，需避開其它熱輻射。另外，小型電解電容器受熱極易升溫，最好進行表面溫度實測。
5.2 光電耦合器
GaAs系的紅外發光二極管多使用光電耦合器。這種發光二極管的發光效率的退化會導致CTR（電流傳達率）下降，其它的CTR劣化形式還有芯片面的光結合樹脂剝離。溫度越高，P8
CTR的下降也越快。同時，二極管電流越大，CTR下降也越快。圖6、圖7標明了這些因素間的關系。
CTR降至起始值的50%所耗的時間稱為半衰期。電源回路的統計中以此為限界值，所以可以認為半衰期就是壽命時間。通常條件下，半衰期為5萬～10萬小時，但所有的光電耦合器都具有如圖8所示的壽命值，因而在進行壽命評估之前最好確認一次。
5.3 風扇
風扇的壽命受軸承及球形軸承的磨損程度影響。軸承部分因旋轉而發熱，風扇自身雖能進行一定程度的冷卻，但不能從根本上解決發熱問題。測出軸承部位的升溫值，升溫值越小，質量越好，由此來選擇合適的制造商。
圖6（左上圖）保存溫度對CTR的徑時變化
圖7（右上圖）動作試驗與CTR的徑時變化
軸承部位的潤滑油干枯及軸承的磨損導致轉數下降，噪音增大，加快了壽命的終結。關于轉數的減少，各制造商的標準不盡相同，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無刷電動機在40℃的環境下，壽命約為40，000小時，廉價的金屬軸承風扇約為10，000小時。圖9標出了風扇的壽命的特性值。另外，DC風扇的壽命還受內臟部分——電動機驅動回路影響。風扇中經常會用到鋁電解電容器，因此有必要將電容器拆開檢查（鋁電解是105℃部件吧）。
P9
5.4 半導體
① 壽命性能
阿列里烏斯反應速度公式同樣適用于半導體的壽命。根據上面提到過的（4）式，壽命L與溫度T之間有如下關系：
A：常數
E0：活性化能量
k:玻耳茲曼常數
活性化能量由故障的構成決定，取表2中的特殊值。
表2 活性化能量
|
故障的構成 |
活性化能量 |
|
氧化膜缺陷
離子性偏移
長時常數陷阱
電致徒動斷路
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℃時的壽命設為1之后，相對壽命與溫度之間的關系，大致反映了半導體的壽命對溫度的依賴性。
② 功率循環
功率晶體管、功率二極管等元件會隨著能量通斷造成的溫度循環而發生熱疲勞。設計時，應考慮到這種熱疲勞的影響，并對照芯片與縫隙、封膜之間的線性膨脹系數，采用特殊金屬來連接芯片與裂縫，以減輕熱膨脹帶來的機械性變形。用功率循環來表示壽命，一般有10，000次以上。從電源的期望壽命來看，需要保持循環5，000次以上。
P10
5.5 電阻器
電阻的穩定性高，故障率為1FIT以下，壽命極長，所以平時使用時無需特別留意。然而，因為電阻值會發生變化，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、分瓣電阻及標準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時變化情況。
沖擊電流防護回路中使用的像電阻器一樣帶有浪涌電力的元件，會因為開·關的循環而發生熱疲勞，導致斷路。浪涌電力、持續時間和循環次數成以下關系。
帶負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。這兩個數值和衰減時間常數r都適用于圖13。該曲線的內側為安全地帶。使用普通的鎳鉻線（耐浪涌）時，約可承受30,000次浪涌。
（7）
（8）
R：電阻值 ，W：額定功率
時間常數是當衰減波形的實效值降至第一波形的0.368倍時的時間值，所以其數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，電流達到最大值，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，但熱疲勞仍然會影響其壽命。制造商方面的壽命規格：當通過最大允許電流時，斷續負荷的壽命為10,000次循環。然而，熱敏電阻器在用來防護沖擊電流時，電源通入后，電阻上通過的電流會達到最大允許電流的10～20倍，所以功率循環的耐用期也會縮短。
② 壽命判定
電阻值隨時間的推移而發生變化，其變化率超過規定值時，壽命即告終止。熱敏功率電阻在用來防護沖擊電流時，電阻值會逐漸變大。表3列出了熱敏電阻壽命性能規格。
表3 熱敏功率電阻器的壽命性能
|
項目 |
規格 |
條件 |
|
斷續負荷壽命 |
電阻變化率±10% |
常溫常濕，外加最大允許電流1,000小時，反復進行1分鐘ON—5分鐘OFF的循環 |
|
連續負荷壽命 |
電阻變化率±10% |
常溫常濕，連續外加最大允許電流1,000小時。
其后放置25℃環境中1小時，再進行檢測 |
|
潮濕放置 |
電阻變化率±10% |
環境溫度40±3℃，相對濕度90～95%，放置1,000小時。其后放置25℃環境中1小時，再進行檢測 |
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。量變過程表現為電介質損失的增加（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時的壽命
V：實際外加電壓
T: 使用環境溫度
n: 5～7
Q: 10℃
電容器制造商通過加速壽命測試獲得壽命數據，從而確定壽命規格。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小時以上。按實際使用情況來推算壽命時長，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），不過這種低應力條件下的壽命推算并沒有什么實際意義，對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。外加電壓和溫度會加快劣化進程，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小時后，容量變化高達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時的壽命
V：實際外加電壓
n:3，Q：20℃
陶瓷電容器和薄膜電容器一樣，通過加速壽命測試取得的數據來確定壽命規格，即以保證值為依據，由（9）式求得壽命規格。
P13
5.9 繼電器、開關
繼電器和開關的壽命分兩種：一為機械壽命，一為電壽命。前者由機械部件的磨損程度決定，包括開關靈活性下降、繼電器工作時間和復位時間延長等現象。后者主要受絕緣電阻和接點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載的浪涌電壓引發的接點電弧現象，以及沖擊電流引發的接點劣化問題。一般來說，開關電壓和電流越大，接點壽命越短。功率因數越小，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據并非全然無用，但因為負載狀態對壽命性能影響極大，所以最好在回路實際工作條件下進行測試。圖15、圖16是繼電器的壽命測試數據，圖17、圖18是開關的測試數據。
P14
5.10 印制底板的焊接
① 壽命性能
單面印制底板造價低，應用廣泛，缺點是機械性能差，制作上限制很多。而且，單面底板的焊接穩定性和壽命性能均不如雙面通孔印制底板，所以壽命評估尤顯重要。圖19是焊接模型。
焊接的劣化分以下三種類型：
a. 導線的張力負載導致導線的接合面松動及銅箔連接部分剝落。
b. 動態負載引起的焊接與導線部分的松動。動態負載是穩定振蕩的負載。
c. 靜態負載引起的焊接蠕變。靜態負載就是固定的負載。蠕變是指靜態負載長期積壓,導致焊接內部發生的永久性變形。
② 動態負載
① 中的a、b 兩種類型是焊接變形受負載影響，超過彈性界限而引發的故障。這一過程會受溫度循環的影響而加快。圖20舉出了動態負載造成次品發生的例子。如本圖所示，將雙接頭部件的導線焊至接合區，重復100℃（8小時）、常溫25℃（16小時）的循環，每循環5次后，于常溫中進行1小時的振動測試，使焊接部分接受動態負載。次品率是指在反復進行這種循環處理30次后，單面接合區的焊接和導線部分發生接觸不良的比率。
P15
③ 靜態負載
金屬材料及塑料材料承受負載時，會發生變形。這種變形即使未超出彈性界限，也可能會引發永久性變形。如圖19所示，在焊接印制底板時，變形一般發生在孔與導線的中部。
圖21是針對印制底板進行的焊接蠕變模型試驗的結果（見P70）。試樣采用單面接合區，接合區徑2.5mm, 孔徑0.8mm，導線徑0.5mm，加上焊面承受的張力負載，測出各種溫度下蠕變量達到0.5mm所需的時間。
由此可以看出，焊接印制板時，如果一根導線上加載的部件重量超過了10g，則對產品的耐用性及穩定性都會產生不良影響。
④ 蠕變允許應力
如圖19所示，設焊接中的蠕變發生面的面積為Sc，靜態負載為W，則蠕變應力為：
F = W / Sc
在單面印制底板中，蠕變應力最好保持在20～30g/m㎡以下。雙面通孔底板中，使用同樣大小的接合區，應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行了一番說明，然而話說回來，即使是發生了故障，也要保證將故障類型控制在安全的范圍內，所謂安全第一，這點在設計時必須要考慮到。
P16
按照慣例，如無特殊情況，折損率一般定為80%以下。這一數值含有10%的多余空間和10%的測定誤差。如果測定樣品數量充分，評估時能將測定誤差考慮進去，則無需受此限制。再者，如增設保護元件，例如晶體管連接器、外加在發射極之間的雪崩二極管等，此時可以提高折損率。
表1 部件的折損率標準
|
半導體 |
電壓 |
穩定時間 最大額定值的85%以下
過渡時間 最大額定值的90%以下 |
|
功率 |
最大額定值的80%以下 |
|
連續溫度 |
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、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 |
|
保險絲 |
電壓、電流 |
額定電流的70%以下 |
|
導線 |
電流、溫度 |
額定電流、溫度的100%以下 |
業務：
