可靠性分析在SPD中的應(yīng)用
賈軍
摘要：可靠性問(wèn)題一直以來(lái)是各個(gè)行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，伴隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，可靠性分析將會(huì)越來(lái)越多的應(yīng)用到該領(lǐng)域。在過(guò)電壓防護(hù)領(lǐng)域中，SPD(Surge Protection Device)及浪涌保護(hù)系統(tǒng)的可靠性在電源、信號(hào)及射頻顯得尤為重要。本文使用系統(tǒng)性分析的方法對(duì)SPD的可靠性進(jìn)行了分析，提出了提高SPD可靠性的途徑，為今后的SPD技術(shù)發(fā)展提供了參考。
關(guān)鍵詞：可靠性；SPD；過(guò)電壓；浪涌保護(hù)

0 引言
近代科技中，對(duì)元器件、零部件、整機(jī)、系統(tǒng)的可靠性提出了越來(lái)越高的要求。隨著人們?cè)絹?lái)越多的使用電子元器件，電子元器件不能承受過(guò)電壓和過(guò)電流的缺陷導(dǎo)致過(guò)電壓保護(hù)器件在越來(lái)越多的行業(yè)中使用。于是各個(gè)行業(yè)針對(duì)SPD的可靠性提出了更高的要求。因此，為了適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展及基于設(shè)備、系統(tǒng)安全的考慮，對(duì)SPD的可靠性問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的分析并提出提高其可靠性的途徑是很有必要的。
1 串聯(lián)系統(tǒng)與并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)方法
由于包括SPD在內(nèi)的各種產(chǎn)品都是通過(guò)若干個(gè)單元為了完成規(guī)定的功能而組合在一起的。因此除了針對(duì)單個(gè)部件和真?zhèn)�產(chǎn)品性能的評(píng)估外，還需要對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。針對(duì)系統(tǒng)最基本的評(píng)價(jià)方法有串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)兩種，因?yàn)槿我獾南到y(tǒng)均可由這兩種關(guān)系組成。
1.1 串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度
串聯(lián)系統(tǒng)指的是對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果只要有一個(gè)單元失效就導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效，或者只有當(dāng)所有單元都正常工作時(shí)，系統(tǒng)才正常工作。串聯(lián)系統(tǒng)的模型如圖一所示：

 

設(shè)在時(shí)間t內(nèi)，SPD的壓敏單元Ai正常工作的事件為Xi，則串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度R（t）就是所有這n個(gè)單元同時(shí)正常工作的概率。即：
R（t）=P（x1•x2•……•xn ）
若各單元可靠度相互獨(dú)立，則串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為：
P（x1）= R1（t）
P（x2︳x1）= P（x2）=R1（t）
……
P（xn︳x1•x2•……•xn ）= P（xn）=Rn（t）
于是串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為：
R（t）= ∏ni-1 Ri（t）
由此式可見，單元數(shù)目越多，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度越低。
1.2 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度
并聯(lián)系統(tǒng)指的是只要有一個(gè)單元還未失效，則整個(gè)系統(tǒng)就不發(fā)生故障，或者說(shuō)只有當(dāng)所有單元都失效時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)才失效。并聯(lián)系統(tǒng)模型如圖二所示：
 

 

設(shè)在時(shí)間t內(nèi)，壓敏單元Bi，發(fā)生故障的事件分別為Yi，則系統(tǒng)不可靠度為：
F(t)= P（y1•y2•……•yn ）
同理得到：
F（t）= ∏ni-1 Fi（t）
則可得出，并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為：
R（t）=1- ∏ni-1 Fi（t）=1- ∏ni-1 [1-Ri（t）]
由此式可見，單元數(shù)目越多，并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度越高。
1.3 并串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度
對(duì)于SPD和其他的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，很少有單一串聯(lián)的系統(tǒng)或單一并聯(lián)的系統(tǒng)，往往都是綜合兩者的系統(tǒng)。串并聯(lián)系統(tǒng)指的是各單元的關(guān)系先串聯(lián)，然后并聯(lián)組合。并串聯(lián)系統(tǒng)指的是各單元的關(guān)系為先并聯(lián)，然后串聯(lián)組合。SPD的應(yīng)用中多采取并串組合的方式，如圖三所示：

其中并串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為：
Rsp =1-（1-Rn）k
由此可以看出，SPD最終采取的還是MOV與GDT的串聯(lián)組合且系統(tǒng)已經(jīng)簡(jiǎn)化到極致。因此要保證SPD的可靠性，均需要保證MOV和GDT單元的可靠性，即我們通常所講的可靠度、瞬時(shí)故障率及平均故障間隔時(shí)間。
2 保證和提高SPD可靠性途徑
基于上述的分析可以看出保證SPD可靠性的問(wèn)題集中在保證MOV和GDT的可靠性上了，因此兩個(gè)器件的參數(shù)正態(tài)分布將直接影響到SPD的可靠性。除此之外，選取器件的過(guò)程中，減額使用的原則也是非常重要的，即設(shè)計(jì)時(shí)讓元器件、零部件和組件在低于負(fù)荷的情況下使用。
2.1 靜態(tài)參數(shù)一致性控制
對(duì)于SPD中的靜態(tài)參數(shù)來(lái)講，在設(shè)計(jì)階段均做過(guò)SPD的極限測(cè)試，即MOV和GDT電壓分別在最高和最低情況下的不同組合，這樣制定出的上限下限將作為器件參數(shù)正態(tài)分布時(shí)參考的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)R（t）= ∏ni-1 Ri（t）可以看出，要保證R（t）越低，前提是保證RMOV（t）和RGDT（t）的可靠度。通過(guò)靜態(tài)參數(shù)的正態(tài)分布圖可以看出，只要保證參數(shù)的一致性即可在很大程度上保證系統(tǒng)的可靠度。如圖四所示：
 

 

[參考文獻(xiàn)]
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