開(kāi)關(guān)電源-壽命評估
第1節 開(kāi)關(guān)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(chǎn)品的故障如Bath-tub Curve (圖1,)所示，分為以下三種類(lèi)型。
① 減少型(DFR；Decreasing Failure Rate)
初期，帶有缺陷的部分會(huì )發(fā)生故障，但隨著(zhù)時(shí)間的推移，剩下的都是穩定的部件，故障率亦會(huì )下降。這段時(shí)間稱(chēng)為初期故障期。
② 一定型(CFR; Constant Failure Rate)
此時(shí)，機器運行穩定，故障率降至一定水平，發(fā)生的故障均為隨機性事件，稱(chēng)為偶發(fā)性故障期。這段時(shí)期的穩定度和平均故障時(shí)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(fā)生原因為磨損。多見(jiàn)于風(fēng)扇電動(dòng)機的球形軸承及繼電器的驅動(dòng)部位等處。這種類(lèi)型的故障具有集中某處發(fā)生的特征，一般從初期開(kāi)始即呈正態(tài)分布。
因此，可以說(shuō)壽命就是指機器故障率保持不變的穩定運行時(shí)期，也就是偶發(fā)故障期。
用戶(hù)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(shí)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。
P2
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(shí)間為7年的前提下，根據各種電器的運行狀況推算出來(lái)的數據。
|
用途 |
必 要 壽 命 |
|
時(shí)間 |
負荷比 |
時(shí)間計算 |
|
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�。禜/天×300天/年×7年＝12.600H
最小額定負荷壽命�。睭/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(gè)數 500,000個(gè)/壽命
最小負荷時(shí)間 500,000個(gè)×分/個(gè)×（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(fā)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(guān)系，其中更以熱應力為主。
從機器壽命設計的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，如果將所有部件的壽命統一，則能達到理想的最優(yōu)性?xún)r(jià)比，但部件的壽命性能（影響部件壽命的電力、環(huán)境特征）相差巨大，因而難以實(shí)現。一般來(lái)說(shuō)，盡可能降低短壽部件的應力，并極限化使用長(cháng)壽部件，可以實(shí)現部件壽命的平均化。
電阻類(lèi)、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(cháng)，因而可以說(shuō)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(huì )漏出氣化的電解液，這種現象會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而加速，一般認為溫度每上升10℃，泄漏速度會(huì )提高至2倍。因此可以說(shuō)電解電容器決定了電源裝置的壽命。
② 開(kāi)關(guān)晶體管、高速功率二極管
此類(lèi)部件在性能界限內使用時(shí)，基本上可以維持7~10年的壽命，但電源通斷（能量循環(huán)）時(shí)產(chǎn)生的物理應力、熱應力會(huì )導致元件劣化，提前損壞。
③ 風(fēng)扇
球形軸承及軸承的潤滑油枯竭、機械裝置部件的磨損，會(huì )加速風(fēng)扇的老化。加之近年的DC風(fēng)扇的驅動(dòng)回路開(kāi)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(jìn)去。
④ 光電耦合器
電流傳達率（CTR；Current Transfer Ratio）隨著(zhù)時(shí)間的推移會(huì )逐漸減少，結果發(fā)光二極管的電流不斷增大，有時(shí)會(huì )達到最大限制電流，致使系統失控。
⑤ 開(kāi)關(guān)
多數開(kāi)關(guān)電源設有電容器輸入型的整流回路，在通入電源時(shí)，會(huì )產(chǎn)生浪涌電流，導致開(kāi)關(guān)接點(diǎn)疲勞，引發(fā)接觸電阻增大及吸附等問(wèn)題。理論上認為，在電源期望壽命期間，開(kāi)關(guān)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(shí)產(chǎn)生的沖擊電流，設計者將電阻與SCR等元件并聯(lián)起來(lái)使用。電源通入時(shí)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(huì )發(fā)生熱疲勞現象。
P4
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(lái)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(shí)搞好測試工作。另一方面，電源機器是整個(gè)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(guò)統計來(lái)確定產(chǎn)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(shí)間和費用等成本頗為可觀(guān)。要解決這個(gè)難題，可以考慮采用以下三種方法：
① 依據儲存數據和過(guò)去的實(shí)際經(jīng)驗，挑出短壽部件，對其進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的壽命測試，從而推算出整個(gè)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(shí)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(shí)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(tài)，因為萬(wàn)一個(gè)別部件所受的應力超過(guò)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(shí)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(hù)的使用條件，但是因為用戶(hù)未必都能充分把握有關(guān)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(hù)方面對制造商進(jìn)行比較，增強廠(chǎng)家競爭力。
4.2 故障類(lèi)型與故障構成
有關(guān)壽命的故障類(lèi)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(wèn)題。這些類(lèi)型是部件的故障類(lèi)型中的短路、開(kāi)路和特性值改變引起的表現。
故障構成在這里是指引發(fā)個(gè)別部件的故障的理論模型，也就是說(shuō)從材料化學(xué)、原子分子的層面上看，部件發(fā)生故障的原因是什么。關(guān)于故障構成的知識將會(huì )在下文中就不同部件詳細說(shuō)明。
要想研究壽命測試的方法，必須先將故障類(lèi)型與故障構成的相互關(guān)系理清。圖2標明了二者間的關(guān)系。
P5
4.3 加速壽命測試
壽命測試需要大量樣品和很多時(shí)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(zhù)應力的增強，故障結構不變，而特性值變化的形式、故障時(shí)間的分布、平均壽命和故障率等發(fā)生規則變化的條件。應力如果過(guò)強，則會(huì )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(huì )隨著(zhù)基本物質(zhì)的擴散、氧化和再結晶等反應而發(fā)生劣化。
設特性值為φ，反應速度為K，K與φ的關(guān)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(shí)，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(chēng)為10℃2倍定律，但這種關(guān)系式并非總是能夠成立。電子部件在接近常溫時(shí)，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(lái)設定。如圖3所示，由5種測試組成。
P6
4.3.4 高溫斷續測試的要求
諸如繼電器、開(kāi)關(guān)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?chē)乐�，因而有必要進(jìn)行高溫斷續測試。通過(guò)切斷和通入輸入電源，使元件反復進(jìn)行升溫和冷卻的周期循環(huán)，從而測得元件對熱疲勞的耐力。實(shí)際操作時(shí)需要重復循環(huán) 5，000～10，000次。
環(huán)境溫度：50～80℃
斷續循環(huán)： 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(huán)境溫度：50～80℃
連續通電時(shí)間： 1,000～3,000小時(shí)
檢測項目：一般性能（輸入電壓變化、輸出電流變化、脈動(dòng)電壓和輸出電壓偏差）
不同的機器所要求的環(huán)境溫度及連續通電時(shí)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(huán)境溫度平均為25℃，考慮到機器內部的升溫因素，電源周?chē)臏囟缺葯C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(shí)，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(huán)境溫度前，有必要了解裝置的溫度上限�？刹捎盟^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(huán)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(jìn)行測試時(shí)，確�；旧喜怀^(guò)其溫度上限。
例如，設T=75℃，則由（5）式可得L=2,500小時(shí)。
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(jìn)行高溫高濕測試。要求如下：
環(huán)境溫度：40～50℃
相對濕度：90～95%
放置時(shí)間：96小時(shí)（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(jìn)行一般性能、振動(dòng)測試、絕緣耐力測試和外觀(guān)檢查。
4.3.7溫度循環(huán)測試
環(huán)境溫度的高低差產(chǎn)生季節裂紋等變溫性應力，從而導致焊接、塑模部件發(fā)生故障。進(jìn)行本測試即是為了檢測出這種故障是否存在。要求如下：
環(huán)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(gè)恒溫箱中各5～10小時(shí)，重復高溫—常溫—低溫—常溫—高溫的循環(huán)30～50次。
檢測項目：一般性能、振動(dòng)測試和外觀(guān)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(zhù)時(shí)間的推移，靜電容量減少，tanδ增大。漏電流在外加電壓時(shí)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(lái)表示靜電容量相對于起始值的變化率，一般達到－20%以下時(shí)即告壽命結束。tanδ的值在超過(guò)規定值時(shí)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(guò)規定值時(shí)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(huì )產(chǎn)生劣化，其主要原因在于電解液。隨著(zhù)溫度的上升，電解液氣化，經(jīng)電容器的封口部位向外泄漏，內部的電解液不斷減少。隨著(zhù)電解液量的減少，tanδ會(huì )逐漸增大，結果，脈沖電流經(jīng)由時(shí)產(chǎn)生的發(fā)熱量增大，又進(jìn)一步加快了劣化過(guò)程。這種關(guān)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(huán)境溫度與脈沖電流引起的自發(fā)熱溫度中推得。下面的式子表現了壽命與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。
（6）
在這里，L1=溫度T1時(shí)的壽命
L2=溫度T2時(shí)的壽命
T1=最高保證溫度或測試溫度＋脈沖發(fā)熱溫度
T2=推算壽命時(shí)的環(huán)境溫度＋脈沖發(fā)熱溫度
要求 T1 > T2
測定脈沖發(fā)熱的升溫值時(shí)，需避開(kāi)其它熱輻射。另外，小型電解電容器受熱極易升溫，最好進(jìn)行表面溫度實(shí)測。
5.2 光電耦合器
GaAs系的紅外發(fā)光二極管多使用光電耦合器。這種發(fā)光二極管的發(fā)光效率的退化會(huì )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(shù)脂剝離。溫度越高，P8
CTR的下降也越快。同時(shí)，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(guān)系。
CTR降至起始值的50%所耗的時(shí)間稱(chēng)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(shí)間。通常條件下，半衰期為5萬(wàn)～10萬(wàn)小時(shí)，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(jìn)行壽命評估之前最好確認一次。
5.3 風(fēng)扇
風(fēng)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(fā)熱，風(fēng)扇自身雖能進(jìn)行一定程度的冷卻，但不能從根本上解決發(fā)熱問(wèn)題。測出軸承部位的升溫值，升溫值越小，質(zhì)量越好，由此來(lái)選擇合適的制造商。
圖6（左上圖）保存溫度對CTR的徑時(shí)變化
圖7（右上圖）動(dòng)作試驗與CTR的徑時(shí)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(guān)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(zhù)溫度的上升而縮短。普通的DC無(wú)刷電動(dòng)機在40℃的環(huán)境下，壽命約為40，000小時(shí)，廉價(jià)的金屬軸承風(fēng)扇約為10，000小時(shí)。圖9標出了風(fēng)扇的壽命的特性值。另外，DC風(fēng)扇的壽命還受內臟部分——電動(dòng)機驅動(dòng)回路影響。風(fēng)扇中經(jīng)常會(huì )用到鋁電解電容器，因此有必要將電容器拆開(kāi)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(guò)的（4）式，壽命L與溫度T之間有如下關(guān)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(cháng)時(shí)常數陷阱
電致徒動(dòng)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(shí)的壽命設為1之后，相對壽命與溫度之間的關(guān)系，大致反映了半導體的壽命對溫度的依賴(lài)性。
② 功率循環(huán)
功率晶體管、功率二極管等元件會(huì )隨著(zhù)能量通斷造成的溫度循環(huán)而發(fā)生熱疲勞。設計時(shí)，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(xiàn)性膨脹系數，采用特殊金屬來(lái)連接芯片與裂縫，以減輕熱膨脹帶來(lái)的機械性變形。用功率循環(huán)來(lái)表示壽命，一般有10，000次以上。從電源的期望壽命來(lái)看，需要保持循環(huán)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(cháng)，所以平時(shí)使用時(shí)無(wú)需特別留意。然而，因為電阻值會(huì )發(fā)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(lái)保證電阻精確度的。圖11舉出了電阻器的電阻經(jīng)時(shí)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(huì )因為開(kāi)·關(guān)的循環(huán)而發(fā)生熱疲勞，導致斷路。浪涌電力、持續時(shí)間和循環(huán)次數成以下關(guān)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(gè)數值和衰減時(shí)間常數r都適用于圖13。該曲線(xiàn)的內側為安全地帶。使用普通的鎳鉻線(xiàn)（耐浪涌）時(shí)，約可承受30,000次浪涌。
（7）
（8）
R：電阻值 ，W：額定功率
時(shí)間常數是當衰減波形的實(shí)效值降至第一波形的0.368倍時(shí)的時(shí)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(guò)70W）的電源中。電源接入時(shí)，電流達到最大值，熱敏電阻隨著(zhù)溫度的上升，電阻值降低。通常溫度會(huì )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(huì )影響其壽命。制造商方面的壽命規格：當通過(guò)最大允許電流時(shí)，斷續負荷的壽命為10,000次循環(huán)。然而，熱敏電阻器在用來(lái)防護沖擊電流時(shí)，電源通入后，電阻上通過(guò)的電流會(huì )達到最大允許電流的10～20倍，所以功率循環(huán)的耐用期也會(huì )縮短。
② 壽命判定
電阻值隨時(shí)間的推移而發(fā)生變化，其變化率超過(guò)規定值時(shí)，壽命即告終止。熱敏功率電阻在用來(lái)防護沖擊電流時(shí)，電阻值會(huì )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(shí)，反復進(jìn)行1分鐘ON—5分鐘OFF的循環(huán) |
|
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(shí)。
其后放置25℃環(huán)境中1小時(shí)，再進(jìn)行檢測 |
|
潮濕放置 |
電阻變化率±10% |
環(huán)境溫度40±3℃，相對濕度90～95%，放置1,000小時(shí)。其后放置25℃環(huán)境中1小時(shí)，再進(jìn)行檢測 |
P12
5.7 塑膜電容器
薄膜電容器的故障類(lèi)型分為開(kāi)路、絕緣電阻下降和短路。量變過(guò)程表現為電介質(zhì)損失的增加（tanδ增大）及靜電容量的減少。
一般來(lái)說(shuō)，薄膜電容器的劣化會(huì )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(shí)的壽命
V：實(shí)際外加電壓
T: 使用環(huán)境溫度
n: 5～7
Q: 10℃
電容器制造商通過(guò)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(shí)以上。按實(shí)際使用情況來(lái)推算壽命時(shí)長(cháng)，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(cháng)（1,000萬(wàn)小時(shí)），不過(guò)這種低應力條件下的壽命推算并沒(méi)有什么實(shí)際意義，對選擇制造商也毫無(wú)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(huì )加快劣化進(jìn)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(shí)后，容量變化高達20%。
推算壽命L通過(guò)壽命性能用（9）式求出。但，
L0：外加電壓V0、溫度T0時(shí)的壽命
V：實(shí)際外加電壓
n:3，Q：20℃
陶瓷電容器和薄膜電容器一樣，通過(guò)加速壽命測試取得的數據來(lái)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(kāi)關(guān)
繼電器和開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)靈活性下降、繼電器工作時(shí)間和復位時(shí)間延長(cháng)等現象。后者主要受絕緣電阻和接點(diǎn)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(fā)的接點(diǎn)電弧現象，以及沖擊電流引發(fā)的接點(diǎn)劣化問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電壓和電流越大，接點(diǎn)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(wú)用，但因為負載狀態(tài)對壽命性能影響極大，所以最好在回路實(shí)際工作條件下進(jìn)行測試。圖15、圖16是繼電器的壽命測試數據，圖17、圖18是開(kāi)關(guān)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(jià)低，應用廣泛，缺點(diǎn)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(lèi)型：
a. 導線(xiàn)的張力負載導致導線(xiàn)的接合面松動(dòng)及銅箔連接部分剝落。
b. 動(dòng)態(tài)負載引起的焊接與導線(xiàn)部分的松動(dòng)。動(dòng)態(tài)負載是穩定振蕩的負載。
c. 靜態(tài)負載引起的焊接蠕變。靜態(tài)負載就是固定的負載。蠕變是指靜態(tài)負載長(cháng)期積壓,導致焊接內部發(fā)生的永久性變形。
② 動(dòng)態(tài)負載
① 中的a、b 兩種類(lèi)型是焊接變形受負載影響，超過(guò)彈性界限而引發(fā)的故障。這一過(guò)程會(huì )受溫度循環(huán)的影響而加快。圖20舉出了動(dòng)態(tài)負載造成次品發(fā)生的例子。如本圖所示，將雙接頭部件的導線(xiàn)焊至接合區，重復100℃（8小時(shí)）、常溫25℃（16小時(shí)）的循環(huán)，每循環(huán)5次后，于常溫中進(jìn)行1小時(shí)的振動(dòng)測試，使焊接部分接受動(dòng)態(tài)負載。次品率是指在反復進(jìn)行這種循環(huán)處理30次后，單面接合區的焊接和導線(xiàn)部分發(fā)生接觸不良的比率。
P15
③ 靜態(tài)負載
金屬材料及塑料材料承受負載時(shí)，會(huì )發(fā)生變形。這種變形即使未超出彈性界限，也可能會(huì )引發(fā)永久性變形。如圖19所示，在焊接印制底板時(shí)，變形一般發(fā)生在孔與導線(xiàn)的中部。
圖21是針對印制底板進(jìn)行的焊接蠕變模型試驗的結果（見(jiàn)P70）。試樣采用單面接合區，接合區徑2.5mm, 孔徑0.8mm，導線(xiàn)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(shí)間。
由此可以看出，焊接印制板時(shí)，如果一根導線(xiàn)上加載的部件重量超過(guò)了10g，則對產(chǎn)品的耐用性及穩定性都會(huì )產(chǎn)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(fā)生面的面積為Sc，靜態(tài)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(chǎn)品耐用性的角度來(lái)說(shuō)，采用雙面底板好處頗多。
以上就電源裝置的壽命進(jìn)行了一番說(shuō)明，然而話(huà)說(shuō)回來(lái)，即使是發(fā)生了故障，也要保證將故障類(lèi)型控制在安全的范圍內，所謂安全第一，這點(diǎn)在設計時(shí)必須要考慮到。
P16
按照慣例，如無(wú)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(shí)能將測定誤差考慮進(jìn)去，則無(wú)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(fā)射極之間的雪崩二極管等，此時(shí)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(shí)間 最大額定值的85%以下
過(guò)渡時(shí)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(lèi) |
溫度 |
A種 100℃以下
E種 115℃以下 |
|
開(kāi)關(guān)、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(xiàn) |
電流、溫度 |
額定電流、溫度的100%以下 |
業(yè)務(wù)：