關于帶USB插座可靠性測試的研究

江朝軍 戴紅輝 余 嘉 付 杰

（公牛集團股份有限公司檢測中心 慈溪 315314）

引言

B產品USB插座已廣泛應用于市場，設計是分析、制作一套驗證B產品USB插座的安全性和可靠性的研究系統；從B產品USB插座產品設計初始期開始，隨著時間的推移使用壽命期慢慢致產品衰老期，整個周期進行系統性研究，通過失效模式分析B產品USB插座的可靠性。

1 概述

1.1 什么是可靠性

可靠性試驗指產品在規定的條件下、在規定的時間內完成規定的功能的能力。產品在設計、應用過程中，不斷經受自身及外界氣候環境及機械環境的影響，仍能夠繼續正常工作，這就需要對試驗設備進行驗證評估，這個驗證基本分為研發試驗、試產試驗、量產抽檢三個部分（規定的時間：如保修期限、使用期、計量有效期內；規定的條件：全壽命周期內所有外在條件；環境：自然和誘發環境；使用：工作模式、時間、頻次、供電特性、機械應力、操作程序、人員水平；維修：體制、級別、方式、人員素質、設備工具；規定的功能：可靠性是質量的重要屬性，可靠性需要時間來衡量和證明。經常出故障，運行一段時間后故障越發頻繁，就是典型的可靠性問題，質量檢驗是無法解決這一問題。）。

1.2 可靠性試驗的目的

可靠性試驗的目是指對產品可靠性給出客觀和可再現的數據。這就要求在實驗方案中描述的實驗條件盡可能可以再現，而且受試產品是具有代表性的。

可靠性試驗具體目的如下：

——評估產品可靠性水平；

——發現產品的薄弱環節，并且采取相應措施直接改進產品；

——檢查在產品設計階段所做的計算和預計工作（例如驗證產品是否有足夠的設計余量）；

——暴露引起產品失效的因素，并且采取措施消除這些因素；

——評價工藝過程對可靠性的影響；

——優化系統維護的細節；

——使產品更加健壯、耐失效和更安全；

——提高產品性能和質量；

——減少產品初始費用和壽命周期費用；

——分析使用條件（工作條件）對產品可靠性的影響；

——為技術文件中的可靠性特征量提供證據；

——估計產品在壽命周期某些階段的費用。

1.3 可靠性試驗分類

1）根據目的分類

從統計學角度，可靠性試驗可以按試驗目的進行分類：

——評估產品可靠性水平（有時又稱為測定）；

——驗證規定的可靠性指標（例如合同或規范所規定的可靠性指標）；

——從可靠性角度，比較兩種設計或兩種產品。

2）根據試驗地點分類

可靠性試驗可以按試驗地點進行分類：

——實驗室試驗；

——現場試驗。

實驗室試驗的優點：測試和評估可以在可控的試驗條件下進行，因此試驗具有再現性。

3）根據獲得實驗結果時間分類

根據獲得期望信息所需要的時間和所用的試驗條件，可靠性試驗可分為：

——常態試驗：在試驗應力條件下進行的試驗；

——加速試驗：試驗采用比實際值更高的應力條件，或者壓縮實驗時間或循環數，比如，時間壓縮試驗，步近應力試驗。

1.4 試驗規范

實驗準備時，所有方法、技術和資金問題，以及與試驗人員相關的問題都應詳細考慮。由于可靠性主要依靠性能和時間兩大因素，因此在規劃試驗方案時應對受試產品的信息加以描述：

——失效判據；

——失效總時間；

——恒定或非恒定失效強度/失效率；

——日歷時間壽命，儲存條件和實驗前調整；

——實驗期間的環境條件；

——工作條件和工作循環；

——要求和允許的預防性維護。

1.5 試驗類型

根據試驗目的，可以分為以下類型：

——可靠性驗證試驗（包括成功率/失敗率試驗）；

——可靠性測定試驗；

——可靠性比較試驗。

2 環境經時變化

試驗目的：模擬產品在高溫、低溫環境下正常使用與存放時，可能會出現的不良變化現象。

2.1 高溫儲存

參考標準：GB/T 2099.1-2008

測試方法：B樣品先放在70 ℃環境中存放7天后，再置于常溫下4天。

使用設備：恒溫干燥箱。

結果判定：電氣性能無異常，外觀無異常。

2.2 高溫運行（見圖1）

參考標準：GB/T 2099.1-2008

測試方法：B樣品放置于溫度為40 ℃、滿載條件下工作8 h、施加額定電壓的恒溫干燥箱，之后置于常溫下2 h。

使用設備：恒溫干燥箱

結論判定：電氣性能無異常，外觀無異常。

2.3 低溫儲存

參考標準：GB/T 2099.1-2008

測試方法：B樣品放在-17 ℃環境中放置48 h，之后置于常溫下2 h。

使用設備：低溫冷繞箱

結論判定：電氣性能無異常，外觀無異常。

2.4 低溫運行（見圖2）

參考標準：GB/T 2099.1-2008

測試方法：B樣品放置于溫度為40 ℃、滿載條件下工作8 h、施加額定電壓的恒溫干燥箱，之后置于常溫下2 h。

使用設備：低溫冷繞箱

結論判定：電氣性能無異常，外觀無異常。

2.5 高溫高濕（見圖3）

參考標準：GB/T 2099.1-2008

測試方法：B樣品在溫度為40 ℃、濕度為93% RH的環境中放置168 h（7天）后，取出置于常溫下放置2 h。

使用設備：恒溫恒濕箱

結論判定：電氣性能無異常，外觀無異常。

3 電磁電涌干擾

目的：確認帶USB充電接口插座是否滿足電磁兼容相關標準要求。保證電器不被靜電、輻射電磁場等各種形式的外來干擾影響其正常工作，保證設備不會被同一電磁環境中的其他設備干擾。

3.1 靜電放電抗擾度測試（見圖4）

目的：建立通用的和可再現的基準，以評估帶USB充電口插座遭受靜電放電時的性能。（如：遭受直接來自操作者和對鄰近物體的靜電放電時的抗擾度）

參考標準：GB/T 17626.2

測試方法：靜電放電抗擾度參照GB 17626.2中的規定要求進行，試驗等級選用：

1）接觸放電應能通過+/- 6 kV的試驗等級；

2）空氣放電應能通過+/- 8 kV的試驗等級，試驗時每個產品測試點不少于10個，每個測試點測試次數不低于20次，輸出負載要求帶滿載測試，且為電阻性負載。

圖1 恒溫干燥箱高溫測試

圖2 低溫冷繞箱試驗

圖3 恒溫恒濕試驗

測試設備：combined disturbance simulator(組合干擾模擬器)

結論判定：測試后，B樣品功能正常，USB輸出正常，符合標準要求。

3.2 電快速瞬變脈沖群抗擾度測試（見圖5）

目的：評估帶USB充電口插座的供電電源端口、信號、控制和接地端口在受到電快速瞬變（脈沖群）干擾時的性能。

參考標準：GB/T 17626.4

測試方法：參照GB 17626.4中規定的要求進行，試驗等級選用等級3，試驗期間插座應能正常工作，并用隔離示波器檢測輸出波形，輸出負載要求帶滿載測試，且為電阻性負載。

圖4 靜電放電測試后，USB輸出無電壓或達不到5V，可能是內部MOS管已壞

測試設備：combined disturbance simulator（組合干擾模擬器）

結論判定：測試后，B樣品功能正常，USB輸出正常，符合標準要求。

3.3 浪涌（沖擊）抗擾度測試（見圖6）

參考標準：GB/T 17626.5

測試方法：測試時浪涌沖擊電壓相位分別設置為0 °、90 °、180 °、270 °，不同電壓每個相位測試5次，每次間隔時間60 s。輸出負載要求帶滿載測試，且為電阻性負載。

測試設備：浪涌組合波沖擊測試儀

判定:測試后，B樣品功能正常，USB輸出正常，符合標準要求。

3.4 傳導干擾測試（見圖7）

參考標準：GB/T 9254

測試方法：按標準規定的B級限值要求，輸出負載要求帶滿載測試，且為電阻性負載。

測試設備：EMC測試系統

結果判定：準峰值和平均值均在要求范圍內，B樣品功能正常，USB輸出正常，符合標準要求。

圖5 快速瞬變脈沖群發生器電路簡圖

3.5 輻射干擾（見圖8）

目的：檢測帶USB充電接口的插座所產生的電磁輻射對人體、公共場所電網以及其他正常工作之電器產生的影響。

參考標準：GB/T 9254

測試方法：用帶有準峰值檢波器的測量接收機進行測量

測試設備：EMC測試系統

結果判定：準峰值在要求范圍內，B樣品功能正常，USB輸出正常，符合標準要求見表1。

4 加速老化

目的：帶USB充電接口插座在進行加速老化測試后，可以使元器件的缺陷，生產過程中的隱患提前暴露，保證出廠的產品能經得起時間的考驗，考驗電子產品的穩定性和可靠性。

4.1 高溫老化測試（見圖9）

測試方法：調節交流輸入電壓為90 V、47 Hz，USB帶滿負載在40 ℃條件下，連續工作96 h后，再轉換交流輸入電壓為264 V、63 Hz，繼續工作96 h后，放置常溫下2 h。

使用設備：老化壽命箱

結果判定：

1）USB充電接口絕緣電阻應不小于5 MΩ（大于500 MΩ）。

2）USB充電接口充電電路的輸入端對輸出端承受50 Hz、3 000 V交流電壓持續時間1 min的抗電強度試驗，漏電流小于10 mA，試驗期間及結束后，無擊穿無飛弧現象。

3）USB充電接口的充電電路正常工作，輸出帶額定阻性負載時輸出的共模噪聲電壓信號從1 kHz到400 kHz的峰值應小于3 V。

4）USB充電接口在空載情況下，功率損耗小于300 mW。

4.2 重復開關機試驗

圖7 傳導干擾測試

表1 測試結果

圖8 EMC測試輻射干擾測試

測試方法：調節交流輸入電壓為264 V、63 Hz，USB帶滿負載在40 ℃條件下，進行開關測試，通電5 s，斷電5 s，測試10 000個循環，試驗結束后放置常溫下2 h。

使用設備：USB通斷試驗機

試驗后：

1）USB充電接口絕緣電阻應不小于5 MΩ。

2）USB充電接口充電電路的輸入端對輸出端承受50 Hz、3 000 V交流電壓持續時間1 min的抗電強度試驗，漏電流小于10 mA，試驗期間和之后，均無擊穿或飛弧現象。

3）USB充電接口的充電電路正常工作，輸出帶額定阻性負載時，輸出的共模噪聲電壓信號從1～400 kHz的峰值小于3 V。

4）USB充電接口在空載情況下，功率損耗小于300 mW。

5 USB接口壽命測試（見圖10）

目的：驗證USB接口是否經受得住正常使用時出現的機械、電和熱應力而不會出現過度的磨損或其他有害影響

參考標準：GB/T 4943.1-2011

測試方法：B樣品在額定電壓下，滿負載條件下工作，插拔速度12.5 mm/min，測試6 000個循環。

使用設備：壽命測試機

圖9 高溫老化測試

結論判定：機械結構無損壞，電氣性能無異常。

5.1 模擬運輸

目的：模擬不同運輸條件下，比如在集裝箱、半掛車、運輸波動的條件下對產品造成的如產品外觀破損、功能失效等潛在質量風險。

5.2 振動測試

測試方法：B樣品放在10 Hz～55 Hz/2 H/3個方向條件下做振動試驗。

使用設備：振動臺

圖10 USB接口壽命測試

圖11 可靠性甘特圖（簡例）

結果判定：試驗后測試其電氣參數無異常，外觀無異常。

5.3 跌落測試

參考標準：GB/T 4943.1-2011（GB/T2423.7）

測試方法：B樣品從1 m的高度自由跌落3次(樣品從0.75 m的高度自由跌落10次)

結論判定：電氣性能參數無異常，外觀無異常。

6 可靠性浴盆曲線—甘特圖示例（見圖11和圖12）

7 結論

綜上述實驗論證，B產品帶USB接口充電插座其可靠性及穩定性符合標準要求。通過可靠性增長實驗將B插座置于標準環境（模擬使用環境或應力加速變化）進行實驗，以暴露產品在設計制造過程中潛在的失效模式和機理，通過失效分析提出糾正措施，從而提高B產品的固有可靠性。“實驗-分析-改進-再實驗”不斷循環的綜合過程。系統地和永久地消除機理來積極地改進B產品的固有可靠性。