基于GJB/Z 299C 的組合DC- DC 電源可靠性預計的工程研究

彭 楊

（合肥華耀電子工業有限公司，安徽合肥 230009）

引言

DC-DC 電源模塊是一種運用功率半導體開關器件實現DC-DC 功率變換的開關電源。近年來，隨著市場需求的不斷提高和國防技術的不斷進步，DC-DC 電源模塊在計算機、工業儀表、雷達、衛星等設備上的應用越來越廣泛。組合DC-DC 電源在實現電壓轉換的同時還具有輸入輸出隔離的功能，除此之外，組合DC-DC 電源憑借其功耗小、效率高、體積小、自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化等優點，在郵電、通信、電力、煤礦、航空航天、軍工等領域有著極其廣闊的發展前景[1-4]。

目前制約組合DC-DC 電源應用的瓶頸之一就是可靠性，可靠性預計是可靠性工作中的關鍵步驟，可靠性預計的目的是為了能夠定量地分析設計產品在給定工作條件下的可靠性水平高低以及研發過程中出現的缺陷問題，可靠性預計是方案擇優、改進設計，確保產品滿足可靠性指標要求的不可缺少的技術手段。該研究起源于20 世紀50 年代，經過70 年左右的發展，應用于電子產品可靠性預計的方法已經趨于成熟。文獻[5]基于GJB/Z299C，采用應力分析法對智能電能表的關鍵元器件進行可靠性預計，并設計了可靠性信息輸入表，簡易方便的特性讓它在企業中已經實現；基于元件層級和電源可達性，建立等效負荷故障后果模式列表，再采用蒙特卡羅模擬算法統計停電故障計算配電網可靠性指標。該方法在確保準確性的基礎上提升了可靠性計算的速度，適用于復雜配電網中；建立了器件短時停運率模型，結合場景分析法對微電網運行可靠性進行評估，相比傳統的評估方法更加準確，但是評估的器件較少；基于FLN 網對含分布式電源的配電網可靠性進行分析，該方法雖然預測精度較高，但是整體復雜，難以應用到實際工程中；均采用故障樹法對不同系統進行可靠性分析，其中對線性時間算法進行改進，去除了故障樹中的冗余信息，從而減少大型故障樹分析的計算時間和內存消耗；除此以外，最新的進展如提出的一種基于隱圖解評審技術網絡模型來進行系統可靠性預計和評估的方法，該方法可計算出系統由初始完好狀態劣化至任意狀態間性能退化量的期望，進而對裝備可靠性水平進行預計并安排檢修。如同文獻[5]中所述，應力分析法是在大量的實驗中統計并分析得出的可靠性預計方法，其預計結果更符合元器件的實際預計情況。因此，在國內電子行業中，基于GJB/Z299C 所提出的應力分析法應用最為廣泛。本研究利用此方法對組合DC-DC 電源進行可靠性預計，可找出電源的薄弱環節、挑選合適的元器件、優化電源的設計方案，從而提高系統可靠性，滿足市場和國防的需要。

基于上述考慮，本研究對組合DC-DC 電源采用基于GJB/Z299C 所提出的應力分析法進行可靠性預計。通過分析計算組合DC-DC 電源內各器件的失效率，得到電源在不同工作環境下可靠性預計值，對準確預計實際情況下的電源壽命提供理論支撐，為實際工程中產品方案擇優、改進設計提供科學依據，推動組合DC-DC 電源在軍工等領域的可靠性工程應用。

1 組合DC-DC 電源設計

1.1 組合DC-DC 電源要求

組合DC-DC 電源的輸入輸出特性見表1。

表1 組合DC-DC 電源的輸入輸出特性

電源輸入電壓為270 V±10%，輸出功率為17.2 kW。輸出共七路，分別由四路+48V85A、一路+28V30A、一路+5V5A 和一路-5V1A 構成。電源正常工作時溫度區間為-40 ℃～+70 ℃，可以實現48 V電源外接輸入控制和故障檢測等功能。

1.2 組合DC-DC 電源工作原理

組合DC-DC 電源由四路48V85A 模塊、一路28V30A 模塊、一路+5V5A 模塊、一路-5V1A 模塊和故障檢測模塊組成。其中，電壓輸出模塊包括輸入保護電路、輸入濾波電路、DC/DC 變換電路、輸出濾波電路四部分，共同實現降壓功能。組合DC-DC 電源的原理框圖見圖1。其中，四路48V85A 模塊通過主線并聯輸出。每路48V85A 模塊從主線上采集270 V 電壓，在控制系統的監測下，由三條并聯的降壓電路降壓至48V，通過濾波電路輸出響應。28V30A 模塊與主線直接相連，該模塊由270 V 電壓輸入，然后降壓至28 V并通過濾波電路分兩路輸出，一路輸出28 V 電壓，一路為其他模塊提供電能。+5V5A、-5V1A 模塊由28V30A 模塊提供電能，通過輸入保護電路、輸入濾波電路、DC/DC 變換電路、輸出濾波電路，達到穩定輸出電壓與電流的目的。故障檢測模塊以28V30A 模塊為輔助電源，從各電路的輸出中采樣，分析電壓電流等參數，判斷電路工作狀況，最后由RS422 通信接口輸出相應信號，以此實現電源的故障檢測功能。

圖1 組合DC-DC 電源的原理框圖

2 組合DC-DC 電源的可靠性預計

2.1 可靠性框圖

組合DC-DC 電源的基本可靠性模型可以估計該電源中組成部件可能發生故障所引起的維修及保障要求的可靠性模型。當五個組成部件中任何一個發生故障時，整個電源就會發生故障，影響整個電源的性能，這是一個典型的串聯可靠性模型，其可靠性框圖見圖2。

圖2 組合DC-DC 電源的可靠性框圖

組合DC-DC 電源的工作失效率為各部件工作失效率之和，每個部件的工作失效率是組成該部件的所有元器件工作失效率之和。值得一提的是，并聯的48 V 電路是為了組合輸出4 路48V85A 的功率，沒有并聯冗余功能，對組合DC-DC 電源來說，即使當器件同時發生故障時，仍屬于串聯失效模型。為此采用普通概率法建立基本可靠性數學模型：

其中，Rs(t)表示電源的可靠度；Ri(t)表示部件的可靠度；n 表示組成系統的部件數量。假定所有的部件壽命均服從指數分布，則電源的可靠度可由下式計算：

進一步對各部件的內部元器件進行分析，各部件的組成參數，如元器件類型、數量、質量等級、環境因素、應力系數、溫度系數等在表2 中給出，則部件的可靠度可由其內部各元器件的可靠度相乘得到，同理，假定所有的元器件壽命均服從指數分布，得到部件可靠度表達式：

表2 組合DC-DC 電源的部分元器件匯總

其中，Rp(t)表示元器件的可靠度；λp表示元器件工作失效率。從公式中可以看出，工作失效率越高，可靠度越低，部件的失效率為所有元器件工作失效率之和。

2.2 元器件失效率估計

針對各部件內的多種元器件，通過表3 展示出基于GJB/Z299C-2006 手冊提供的各類元器件可靠性預計模型。

表3 基于GJB/Z299C-2006 的元器件預計模型

由于實際工作環境的復雜性，本研究挑選了五種不同工作環境的可靠性預計值進行定量計算，包括地面良好（GB）、惡劣地面固定（GF2）、運輸機無人艙（AUC）、艦船艙外（NU）和導彈發射（ML），圖3 展示了在五種工作環境中組合DC-DC 電源各元器件的工作失效率情況，工作失效率越小則代表該元器件的使用壽命越久。對比圖中地面良好，惡劣地面固定和其他三種工作環境下各元件工作失效率可以發現，相同元器件在不同環境中有著顯著的差異。地面上器件的失效率明顯低于其他環境，尤其是地面良好的環境下，而在導彈發射、艦船艙外、運輸機無人艙的工作環境中，元器件易受腐蝕、磨損等因素影響，因此失效率偏高。值得注意的是，在運輸機無人艙環境中，瓷片電容和光耦的失效率高于其他工作情況。在相同工況下，各元器件的工作失效率也具有明顯的差異，晶振、光耦、變壓器的失效率相比于其他元器件屬于可靠性較高的水平。在地面良好情況下，晶振的失效率是電阻失效率的80 倍，鋁電解電容的失效率約為瓷片電容的13 倍。另外，電感在導彈發射工況下的失效率比地面良好工況下的晶振失效率要高，這表現出工作環境對器件失效率有著深刻的影響。總體來看，對組合DC-DC 電源部件進行分析并研究各元器件的失效率具有深刻的指導意義，只有通過可靠性預計模型對各種不同工作情況下的電源系統進行分析計算才能更好地在實際應用中對元器件選材，做到兼顧產品生產時的經濟性以及可靠性。

2.3 組合DC-DC 電源的失效率估計

根據表2 的組合DC-DC 電源的元器件匯總表，圖3 中計算得到的各元器件的工作失效率預計值，以及公式（1）至公式（4）統計得出組合DC-DC 電源在五種不同工作環境下的各部件的失效率和電源總工作失效率，見圖4。

圖3 不同工作環境下元器件工作失效率的比較

從圖4 可以看出，幾種工作環境下總工作失效率值的降序排列是：導彈發射、艦船艙外、運輸機無人艙、惡劣地面固定和地面良好。其中，導彈發射工作環境下電源的工作失效率最高，為110.33×10-6/h，達到地面良好工作環境下的失效率3.79×10-6/h 的29 倍。此外，平均故障間隔時間（MTBF）也是考查電源可靠性的一個重要指標，它是電源的總工作失效率的倒數：

圖4 組合DC-DC 電源的總工作失效率預計的比較

五種工作狀態下電源的可靠性指標，即MTBF 值匯總見表4。考慮到預計時的各種誤差以及現場環境的復雜性，實際的可靠性指標需要按預計的理論值縮小1.2～1.8 倍，本研究依據實際工程經驗按1.5 倍縮小得到可靠性指標供實際工程參考。從表中可以看出，導彈發射的工作環境非常苛刻，組合DC-DC 電源的實際可靠性指標只有約6 000 h 左右，在實際的工程當中，可以先利用可靠性失效模型，找出薄弱環節并針對性的選用低失效率元器件，進而達到在較低的成本下提高電源整體可靠性的目標。

表4 組合DC-DC 電源的可靠性指標

3 結論

本研究對實際工作環境下的組合DC-DC 電源可靠性進行預計分析，針對串聯可靠性失效模型，組合DC-DC 電源的可靠性預計采用了“自下而上”的方法。首先，對該電源的系統結構進行了分析，并將其劃分為五個部件，即48 V 電路、28 V 電路、5 V 電路、-5 V 電路和通信電路部分。其次，對各部件的組成參數，如元器件類型、數量、質量等級、環境因素、應力系數、溫度系數等進行了分析。緊接著根據元器件的可靠性模型，確定各元器件的預計算式，并對電源中各元器件的工作失效率進行估算。最后，將各元器件的工作故障率相加，得到各部件的總工作失效率，將各部件的總工作失效率相加，得到電源的可靠性指標。

本研究通過深入分析電源工作原理框圖和各元器件的技術參數，得到組合DC-DC 電源在不同環境下的可靠性預計值。該研究針對實際情況，分析具體工程實例中的產品可靠性指標，推動了組合DC-DC電源在實際工程應用中的發展，為產品方案擇優、改進設計提供了科學依據。