开关电源寿命评估.docx
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开关电源寿命评估
開關電源壽命評估
第1节开关电源－寿命评估
一．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-tubCurve（图1,）所示，分为以下三种类型。
1减少型（DFR；DecreasingFailureRate）
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;ConstantFailureRate）
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;IncreasingFailureRate）
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。
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。
必要
寿命
用途
时间
负荷比
时间计算
printer
额定负
1
最大额定负荷
8-2H/天
荷4.200H
最小额定负荷
2H/天
最大额定负荷
1
使用天数
300天/年
12.60H
最大额定负荷寿命6H/天X300天/年X7年=12.600H
最小额定负荷寿命2H/天X300天/年X7年=4.200H
PC
额定负荷
1
使用8H/天
寿命8H/天X300天/年X7年=16,800H
PPC
额定负荷
1
PCB个数
500,000个/寿命
556H
最小负荷时间
500,000个X分/个X（H/分）=556H
最小额定负荷
0.05
最大额定负荷
（8H/天X300天X7年）—556H=16.244H
16.244H
0.2
FAX
额定负荷
1
最小额定负荷
2H/天X365天/年X7年=5.110H
5.500H
最大额定负荷
（24H/天X365天/年X7年）
最小额定负荷
0.1
5.110H=56.210H
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、陶瓷电容器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。
三．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10C，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；CurrentTransferRatio）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。
四．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。
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。
432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©，反应速度为K,K与©的关系如下：
df（©）/dt=K
（1）
因此，f（©）=Kt
（2）
假设特性值©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/0T（4）
但，/T=T-TN
0T=T-TN
0r二（T・TNLN2）/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1.3709X10-10尔格/绝对温度。
）
TN标准温度。
般电器的0r值基本上为10C左右，所以（4）式被称为10C2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10C，寿命约减少至2/3〜1/2
4.3.3故障构成与寿命测试寿命测试的内容依据故障构成来设定。
如图3所示，由5种测试组成。
4.3.4高温断续测试的要求诸如继电器、开关和电扇等机械性部件，以及功率晶体管，功率二极管等部件的升温现象
很严重，因而有必要进行高温断续测试。
通过切断和通入输入电源，使元件反复进行升温和冷却的周期循环，从而测得元件对热疲劳的耐力。
实际操作时需要重复循环5，000〜10，000次。
环境温度：
50〜80C
断续循环：
5,000〜10,000次
检测项目：
逐次检测元件的一般性能.本测试亦可与高温连续测试组合使用。
4.3.5高温连续寿命测试的要求
环境温度：
50〜80C
连续通电时间：
1,000〜3,000小时检测项目：
一般性能（输入电压变化、输出电流变化、脉动电压和输出电压偏差）不同的机器所要求的环境温度及连续通电时间也不尽相同，一般按照下面的方法求出。
假定电源装置的机器外部环境温度平均为25C，考虑到机器内部的升温因素，电源周围的温度比机器外部约高10〜15C，即35〜40C。
当然，特殊用途的电源不在此限。
电源的期望寿命平均为40,000小时，由阿列里乌斯公式可得LN=40,000HTN=35C,0r=10C,代入第（3）、（4）式中可得下式：
L=40,000・2-（T-35）/10（5）
设定环境温度前,有必要了解装置的温度上限。
可采用所谓的淘汰测试法,逐级提高温度直至测试对象报废，从而测得对象的耐温上限。
电源机器的极限温度为70〜90C,如果能将环境
温度提高到此种程度,则可以加快机器寿命的终结。
此外,电解电容器是最脆弱的部件,因而有必要事先获悉其寿命值,并且在进行测试时,确保基本上不超过其温度上限。
例如，设T=75C，则由（5）式可得L=2,500小时。
4.3.6高温高湿测试
针对金属部件的腐蚀、塑料部件的分解等造成的机械强度和绝缘耐力下降等故障,宜进行高温高湿测试。
要求如下：
环境温度：
40〜50C
相对湿度：
90〜95%
放置时间：
96小时（通电或不通电）检测项目：
按上述要求放置后,取出放置在常温常湿下30分钟,进行一般性能、振动测试、绝缘耐力测试和外观检查。
4.3.7温度循环测试
环境温度的高低差产生季节裂纹等变温性应力,从而导致焊接、塑模部件发生故障。
进行本测试即是为了检测出这种故障是否存在。
要求如下：
环境温度：
高温50〜60C
常温25C
低温－5〜－10C
将测试用电源放入上述三个恒温箱中各5〜10小时,重复高温—常温—低温—常温—高温的循
环30〜50次。
检测项目：
一般性能、振动测试和外观检查。
五．部件的寿命评估
5.1电解电容器
1寿命性能电解电容器的寿命结束形式为磨损故障，决定寿命的主要因素为静电容量、损失角的正切
（tan3）、漏电流等。
随着时间的推移，静电容量减少，tan5增大。
漏电流在外加电压时
有增加的趋势，所以对负荷的寿命影响不大。
2寿命的判定
用百分比来表示静电容量相对于起始值的变化率，一般达到－20%以下时即告寿命结束。
tan5
的值在超过规定值时寿命结束。
漏电流在零负荷的情况下有增加的趋势，同理，在超过规定值时寿命结束。
3影响寿命的主要原因前面讲到的特性之所以会产生劣化，其主要原因在于电解液。
随着温度的上升，电解液气化，经电容器的封口部位向外泄漏，内部的电解液不断减少。
随着电解液量的减少，tan5会逐渐增大，结果，脉冲电流经由时产生的发热量增大，又进一步加快了劣化过程。
这种关系如图4、图5所示。
4寿命的推算铝电解电容器的近似寿命可以由环境温度与脉冲电流引起的自发热温度中推得。
下面的式子表现了寿命与环境温度之间的关系。
在这里，L仁温度T1时的寿命
L2=温度T2时的寿命
T1=最高保证温度或测试温度＋脉冲发热温度
T2=推算寿命时的环境温度＋脉冲发热温度
要求T1>T2测定脉冲发热的升温值时，需避开其它热辐射。
另外，小型电解电容器受热极易升温，最好进行表面温度实测。
5.2光电耦合器
GaAs系的红外发光二极管多使用光电耦合器。
这种发光二极管的发光效率的退化会导致CTR
（电流传达率）下降，其它的CTR劣化形式还有芯片面的光结合树脂剥离。
温度越高，P8
CTR的下降也越快。
同时，二极管电流越大，CTR下降也越快。
图6、图7标明了这些因素间
的关系。
CTR降至起始值的50渐耗的时间称为半衰期。
电源回路的统计中以此为限界值，所以可以认
为半衰期就是寿命时间。
通常条件下，半衰期为5万〜10万小时，但所有的光电耦合器都具
有如图8所示的寿命值，因而在进行寿命评估之前最好确认一次。
5.3风扇
风扇的寿命受轴承及球形轴承的磨损程度影响。
轴承部分因旋转而发热，风扇自身虽能进行一定程度的冷却，但不能从根本上解决发热问题。
测出轴承部位的升温值，升温值越小，质量越好，由此来选择合适的制造商。
轴承部位的润滑油干枯及轴承的磨损导致转数下降，噪音增大，加快了寿命的终结。
关于转数
的减少，各制造商的标准不尽相同，但一般以起始值的3〜5%为上限。
寿命随着温度的上升而缩短。
普通的DC无刷电动机在40C的环境下，寿命约为40,000小时，廉价的金属轴承风扇约为10,000小时。
图9标出了风扇的寿命的特性值。
另外，DC风扇的寿命还受内脏部分
电动机驱动回路影响。
风扇中经常会用到铝电解电容器,因此有必要将电容器拆开检查（铝电
解是105C部件吧）。
5.4半导体
①寿命性能
阿列里乌斯反应速度公式同样适用于半导体的寿命。
根据上面提到过的（4）式，寿命L与温
度T之间有如下关系：
A:
常数
E0:
活性化能量
k:
玻耳兹曼常数
活性化能量由故障的构成决定，取表2中的特殊值。
表2活性化能量
图10表示了将Tj=125C时的寿命设为1之后，相对寿命与温度之间的关系，大致反映了半导体的寿命对温度的依赖性。
②功率循环
功率晶体管、功率二极管等元件会随着能量通断造成的温度循环而发生热疲劳。
设计时，应考虑到这种热疲劳的影响，并对照芯
片与缝隙、封膜之间的线性膨胀系数，采用特殊金属来连接芯片与裂缝，以减轻热膨胀带来的机械性变形。
用功率循环来表示寿
命，一般有10,000次以上。
从电源的期望寿命来看，需要保持
循环5,000次以上5.5电阻器
电阻的稳定性高，故障率为1FIT以下，寿命极长，所以平时使用时无需特别留意。
然而，因为电阻值会发生变化，如果要求高精度的电阻值，则需要特别注意。
用在电源中的误差放大器、分瓣电阻及标准电压中使用的电阻等就是用来保证电阻精确度的。
图11举出了电阻器的电阻经时变化情况。
冲击电流防护回路中使用的像电阻器一样带有浪涌电力的元件，会因为开•关的循环而发生热
疲劳，导致断路。
浪涌电力、持续时间和循环次数成以下关系。
带负荷的衰减波形的耐浪涌特性如图13所示。
将最大的第一波形的峰值电压（Vp）代入（7）式，可得Vrms,再代入（8）式，可求得额定电力倍数。
这两个数值和衰减时间常数r都适用
于图13。
该曲线的内侧为安全地带。
使用普通的镍铬线（耐浪涌）时，约可承受30,000次浪
涌。
R:
电阻值，W额定功率
时间常数是当衰减波形的实效值降至第一波形的0.368倍时的时间值，所以其数值一般从电阻值上的波形照片中获得。
5.6热敏功率电阻器
1寿命性能
作为冲击电流防护回路的部件，使用在较小容量（不超过70W的电源中。
电源接入时，电流
达到最大值，热敏电阻随着温度的上升，电阻值降低。
通常温度会上升至70〜90C,虽然热
敏电阻采用的是耐热材料，但热疲劳仍然会影响其寿命。
制造商方面的寿命规格:
当通过最大允许电流时，断续负荷的寿命为10,000次循环。
然而，热敏电阻器在用来防护冲击电流时，电源通入后，电阻上通过的电流会达到最大允许电流的10〜20倍，所以功率循环的耐用期也
会缩短。
2寿命判定
电阻值随时间的推移而发生变化，其变化率超过规定值时，寿命即告终止。
热敏功率电阻在用来防护冲击电流时，电阻值会逐渐变大。
表3列出了热敏电阻寿命性能规格。
表3热敏功率电阻器的寿命性能
项目
规格
条件
断续负荷寿
命
电阻变化率
士10%
常温常湿，外加最大允许电流1,000小时，反复进行1分钟ON—5分钟OFF的循环
连续负荷寿
命
电阻变化率
士10%
常温常湿，连续外加最大允许电流1,000小时。
其后放置25C环境中1小时，再进行检测
潮湿放置
电阻变化率
士10%
环境温度40士3C,相对湿度90〜95%放置1,000小时。
其后放置25C环境中1小时，再进行检测
5.7塑膜电容器
薄膜电容器的故障类型分为开路、绝缘电阻下降和短路。
量变过程表现为电介质损失的增加
（tan5增大）及静电容量的减少。
一般来说，薄膜电容器的劣化会受外加电压及温度影响而加速，电压加速和温度加速的情况分
别适用于5~7倍相乘法和10C翻倍法。
由下式推算寿命L:
（9）
注：
L0:
温度TO、电压V0时的寿命
V:
实际外加电压
T:
使用环境温度
n:
5~7
Q:
10
电容器制造商通过加速寿命测试获得寿命数据，从而确定寿命规格。
例如，在温度为85C,
外加电压为额定值的1.25倍的条件下，保证寿命在1,000小时以上。
按实际使用情况来推算寿命时长，可将上面的保证寿命值代入（9）式中求出。
如果充分考虑电压和温度折损值，则算出的寿命极为漫长（1,000万小时），不过这种低应力条件下的寿命推算并没有什么实际意义，对选择制造商也毫无裨益。
5.8陶瓷电容器
陶瓷电容器的劣化形式主要为静电容量减少。
外加电压和温度会加快劣化进程，其影响效果分
别适用于3倍法和20C翻倍法。
电容率高的材料，静电容量的减少更为明显。
有些高电容率的材料，在使用1,000小时后，容量变化高达20%。
推算寿命L通过寿命性能用（9）式求出。
但，
L0:
外加电压V0、温度TO时的寿命
V:
实际外加电压
n:
3，Q:
20c
陶瓷电容器和薄膜电容器一样，通过加速寿命测试取得的数据来确定寿命规格，即以保证值为依据，由（9）式求得寿命规格。
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