可靠性分析在SPD中的應(yīng)用
可靠性分析在SPD中的應(yīng)用
賈軍
摘要：可靠性問題一直以來是各個行業(yè)關(guān)注的重點，伴隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，可靠性分析將會越來越多的應(yīng)用到該領(lǐng)域。在過電壓防護領(lǐng)域中，SPD(Surge Protection Device)及浪涌保護系統(tǒng)的可靠性在電源、信號及射頻顯得尤為重要。本文使用系統(tǒng)性分析的方法對SPD的可靠性進行了分析，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；過電壓；浪涌保護
0 引言
近代科技中，對元器件、零部件、整機、系統(tǒng)的可靠性提出了越來越高的要求。隨著人們越來越多的使用電子元器件，電子元器件不能承受過電壓和過電流的缺陷導(dǎo)致過電壓保護器件在越來越多的行業(yè)中使用。于是各個行業(yè)針對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SPD的可靠性問題進行系統(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)的可靠性評價方法
由于包括SPD在內(nèi)的各種產(chǎn)品都是通過若干個單元為了完成規(guī)定的功能而組合在一起的。因此除了針對單個部件和真?zhèn)�產(chǎn)品性能的評估外，還需要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行可靠性評價。針對系統(tǒng)最基本的評價方法有串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)兩種，因為任意的系統(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)指的是對于一個系統(tǒng)來說，如果只要有一個單元失效就導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效，或者只有當(dāng)所有單元都正常工作時，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個單元同時正常工作的概率。即：
R（t）=P（x1•x2•……•xn ）
若各單元可靠度相互獨立，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)指的是只要有一個單元還未失效，則整個系統(tǒng)就不發(fā)生故障，或者說只有當(dāng)所有單元都失效時，整個系統(tǒng)才失效。并聯(lián)系統(tǒng)模型如圖二所示：
設(shè)在時間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
對于SPD和其他的產(chǎn)品來說，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、瞬時故障率及平均故障間隔時間。
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可靠性的問題集中在保證MOV和GDT的可靠性上了，因此兩個器件的參數(shù)正態(tài)分布將直接影響到SPD的可靠性。除此之外，選取器件的過程中，減額使用的原則也是非常重要的，即設(shè)計時讓元器件、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
對于SPD中的靜態(tài)參數(shù)來講，在設(shè)計階段均做過SPD的極限測試，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：
2.3 器件的標(biāo)準(zhǔn)化選取
標(biāo)準(zhǔn)化的器件和參數(shù)是經(jīng)過權(quán)威部門鑒定或者長期的實驗驗證的結(jié)果，比起新設(shè)計的或者定制的器件更可靠。若保存或建立一個具有基本失效率值的標(biāo)準(zhǔn)元器件手冊以備設(shè)計者選用，則產(chǎn)品的可靠性設(shè)計將大大減少系統(tǒng)可靠性設(shè)計的工作量。
3 結(jié)論
本文使用質(zhì)量管理中的可靠性分析方法針對SPD進行了研究，根據(jù)SPD具體的系統(tǒng)設(shè)計及結(jié)構(gòu)方式進行評估后，可以得出以下結(jié)論：
1. 由于SPD系統(tǒng)通常均采用MOV與GDT串聯(lián)的方式組合，因此SPD的可靠性主要由MOV和GDT的可靠性決定。
2. 為了保證器件的可靠性，需要重點注意的是MOV與GDT的靜態(tài)參數(shù)一致性，器件選型的標(biāo)準(zhǔn)化和減額使用的設(shè)計方法。
3. 后續(xù)需要進一步就元器件的可靠性進行研究，以保證從工藝層面上尋找出更加有效的控制手段。
[參考文獻]
[1] 郎志正 質(zhì)量管理及其技術(shù)方法 2003，345～361.
[2] 馬逢時 劉傳冰 等 六西格瑪管理統(tǒng)計指南--MINTAB使用指導(dǎo) 2007，第四章
轉(zhuǎn)載請注明來自：http://www.jinnzone.com/wulilw/14379.html
