CN103675712A

CN103675712A - 电源寿命时间检测方法和系统

Info

Publication number: CN103675712A
Application number: CN201310752176.8A
Authority: CN
Inventors: 章晓文; 何小琦; 恩云飞
Original assignee: Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology
Current assignee: Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-03-26

Abstract

一种电源寿命检测方法和系统，其中方法包括步骤：获取高温试验中每个电源的有效试验时长，并计算各个待测电源的总试验时间；其中，所述高温试验为多个相同型号待测电源在预设高温下进行运行的试验；当试验过程中有故障电源时，获取试验过程中故障电源的个数，根据所述总试验时长与所述故障电源的个数比值获得平均故障间隔时间；计算温度加速系数，从预设的置信因子表中查找置信因子，将所述置信因子、所述加速系数和所述平均故障间隔时间相乘获得待测电源工作寿命时间。通过本发明方案提高了确定电源寿命时间的准确性。

Description

电源寿命时间检测方法和系统

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别是涉及一种电源寿命时间检测方法和系统。

背景技术

混合电路（Hybrid Integrated Circuit，HIC）是指用于太空卫星、地面通讯雷达等平台需要长期服役且难以维修更换的电子器件，如固体继电器、DC/DC电源等，其服役周期通常为5～10年甚至10～20年，如何对这类高可靠要求的混合电路产品进行快速、经济、科学的评估，并获得产品在平台环境下（机、船、地面）的工作寿命数据，一直是生产方和使用方急需解决的问题。各类整机系统中大量应用了DC/DC电源，其寿命时间数据作为整机可靠性设计、维修性的基础数据。从而对电源寿命时间的检测显得越来越重要。

工程应用中，采用GJB/Z299C-2006电子设备可靠性预计手册，对电子设备中的各种元器件，包括DC/DC电源的寿命时间进行预计，从而得出DC/DC电源的可靠性数据。

GJB/Z299C-2006电子设备可靠性预计手册，虽然在整机可靠性设计方案优选方面获得了一定的成功，但是它是一种根据历史数据统计得到的电源寿命时间，不能给出DC/DC电源的准确寿命值，有时会和实际情况产生很大的差异。

发明内容

基于此，有必要针对确定电源寿命时间不准确的问题，提供一种电源寿命时间检测方法和系统。

一种电源寿命检测方法，包括步骤：

获取高温试验中每个电源的有效试验时长，并计算各个待测电源的总试验时间；其中，所述高温试验为多个相同型号待测电源在预设高温下进行运行的试验；

当试验过程中有故障电源时，获取试验过程中故障电源的个数，根据所述总试验时长与所述故障电源的个数比值获得平均故障间隔时间；

采用公式

计算温度加速系数，其中，A_t表示温度加速系数，T_use表示待测电源工作条件下的环境温度，T_test表示预设高温温度，K表示波尔兹曼常数，Ea表示激活能；

从预设的置信因子表中查找置信因子，将所述置信因子、所述加速系数和所述平均故障间隔时间相乘获得待测电源工作寿命时间。

一种电源寿命检测系统，包括：

试验时间获取模块，用于获取高温试验中每个电源的有效试验时间，并计算各个待测电源的总试验时间；其中，所述高温试验为多个相同型号待测电源在预设高温下进行运行的试验；

故障电源个数获取模块，用于当试验过程中有故障电源时，获取试验过程中故障电源的个数；

平均故障间隔时间确定模块，用于根据所述总试验时长与所述故障电源的个数比值获得平均故障间隔时间；

温度加速系数计算模块，用于采用公式

电源工作寿命时间确定模块，用于从预设的置信因子表中查找置信因子，将所述置信因子、所述加速系数和所述平均故障间隔时间相乘获得待测电源工作寿命时间。

上述电源寿命检测方法和系统，通过获取高温试验中每个电源的有效试验时长，并计算总试验时间，根据故障电源个数获得平均故障间隔时间，再通过工作条件下的环境温度和预设高温温度计算得到温度加速系数，从而根据温度加速系数、置信因子以及平均故障间隔时间可以得到该电源的寿命时间。本方案提高了获取电源寿命时间的准确性，从而为电源维修提供了可靠的数据信息，便于对电源的维修更换。

附图说明

图1为本发明电源寿命检测方法实施例的流程示意图；

图2为本发明电源寿命检测系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下针对本发明电源寿命检测方法和系统的各实施例进行详细的描述。

如图1所示，为本发明电源寿命检测方法实施例的流程示意图，包括：

步骤S101：获取高温试验中每个电源的有效试验时长，并计算各个待测电源的总试验时间；其中，高温试验为多个相同型号待测电源在预设高温下进行运行的试验；

高温试验（也可以称为可靠性测试试验）可以在模拟的环境应力条件下进行，采用高温加速方法，加速温度应高于电路实际的工作温度。加速温度应有合理的幅度，使得电路在加速温度的作用下不产生新的失效机理。进行可靠性测试试验的混合电路采用抽样试验，这些样品必须是按同一设计文件和生产工艺进行生产的，样品从母体中随机抽取，抽样数量一般至少5只以上。在可靠性测试试验期间，混合电路样品应模拟实际工作状态。

有效试验时长是指该电源在高温试验过程中，工作了的总时长，即该电源在该高温试验中，失效前总共工作的时长。

总试验时间T一般如下计算：试验的n个样品在规定条件下做寿命试验，到规定的时间t停止，则总时间应为全部的样品试验时间t的n倍，即如果没有样品发生故障，则总试验时间T＝nt。若在试验中有样品发生故障，立即修复后继续试验，则T＝nt。若不修复而为取出故障样品，其它样品继续试验，到规定时间t停止，则计算各个待测电源的总试验时间包括以下公式：

T = (n - r) t + Σ_{i = 1}^{r} t_{i}

其中，T表示总试验时间，n表示试验的待测电源个数，r表示发生故障的电源个数，t表示试验截止时长（是指高温试验的时间），t_i表示故障电源i失效前试验时间。可知，当电源没有发生故障时，该电源的有效试验时长为试验截止时长t。当电源发生故障时，该电源的有效试验时长为故障电源i失效前试验时间t_i。因此，在计算总试验时间时，除了每个电源的有效试验时长和故障电源个数，还需要获取试验的待测电源个数。

步骤S102：当试验过程中有故障电源时，获取试验过程中故障电源的个数，根据总试验时长与故障电源的个数比值获得平均故障间隔时间；

这种情况是有故障发生的情况，则用最后的试验总时间除以故障数可以求出平均故障间隔时间（MTBF的观测值）：

θ＝T/r_w

其中，θ表示平均故障间隔时间，T表示试验总时间，以h为单位，r_w表示故障个数。

在其中一个实施例中，获取试验过程中故障电源的个数步骤，包括：

确定试验过程中的故障电源，将故障电源按照故障损坏程度进行划分等级；

将不同等级的故障电源数量对应与各自等级故障系数相乘，并将各乘积结果求和得到故障电源个数。

本实施例是根据责任故障严重性分级，对于每个等级设有故障系数W_i，比如：

1）一级故障：W₁＝1；

2）二级故障：W₂＝0.2～0.5；

3）三级故障：W₃＝0.01～0.1。

此时加权故障数的计算值为：r_w＝r₁W₁+r₂W₂+r₃W₃

其中，r₁表示一级故障电源个数，r₂表示二级故障电源个数，r₃表示三级故障电源个数，W₁、W₂、W₃分别表示已确定的相应严重级别故障的故障系数。加权后的r_w若出现小数，则可以按GB8170中的规定修约或由生产方和使用方共同规定修约方法。

步骤S103：采用公式计算温度加速系数，其中，A_t表示温度加速系数，T_use表示待测电源工作条件下的环境温度，即实际工作温度，温度单位为K。T_test表示预设高温温度，即高温试验中的温度，单位为K。K表示波尔兹曼常数，8.625×10^-5eV/K，Ea表示激活能，单位为eV。

在其中一个实施例中，电源为DC/DC电源。DC/DC电源包含有VDMOS管，肖特基二极管，电感线圈，控制芯片，表贴的电阻电容等元件，整个电源的激活能需要综合考虑，进行选取。根据失效模式、失效机理和激活能建立失效机理的激活能列表，如下表1所示：

表1失效机理的激活能列表

失效模式	失效机理	激活能
			阈值电压漂移	SiO₂中的钠离子漂移	1.0-1.4eV
漏电流	形成反型层（MOS管）	1.0eV
			增益下降	因水分加速离子移动	0.8eV
铝金属开路	铝腐蚀	0.6eV-0.9eV
			铝金属开路	电迁移	0.68eV
短路	氧化层击穿	0.70eV

本实施例可以根据失效模式和失效机理从失效机理的激活能列表中查找对应激活能。

步骤S104：从预设的置信因子表中查找置信因子，将置信因子、加速系数和平均故障间隔时间相乘获得待测电源工作寿命时间。

在其中一个实施例中，从预设的置信因子表中查找置信因子步骤之前，还包括：

获取待测电源的置信度；

根据置信度和故障电源的个数确定置信因子；

根据各待测电源的置信因子与故障电源个数之间的关系建立置信因子表。

本实施例提供了一种建立置信因子表的方法。通过一次试验的平均故障间隔时间θ，确定电路样品MTBF值的估计区间，称为置信区间。选取（1-2β）100%为双边置信区间的置信度，选取（1-β）100%为单边置信区间的置信度。例如当β＝10%时，双边置信区间的置信度为80%，单边置信区间的置信度为90%。

常用的定时截尾试验的置信因子表见表2

表2MTBF验证值的置信因子

用下限因子和上限因子分别乘以平均故障间隔时间θ可以得出MTBF的下限值和上限值，即下限值

下限因子，上限值

上限因子。

在另一个实施例中，也可以通过表3公式计算下限因子和上限因子。

表3置信因子计算

在可靠性测定试验中，可根据电路样品的成熟度情况确定一个置信度，一般选取值为70%-90%，然后按照表3的单侧区间估计中的公式计算MTBF的置信下限。

如果可靠性测定试验是将一些设备投入没有规定预定截尾程序的试验，则根据累计试验时间和故障数在任何时刻估算出可靠性。电路样品可以不必同时投入试验或在同一时期内进行试验。可以把各个时期内的试验结果收集起来，用这些累计结果计算出可靠性数据。

将平均故障间隔时间、下限因子和温度加速系数相乘可以获得电源工作时寿命时间的下限值，即τ＝θ_L×A_t。将平均故障间隔时间、上限因子和温度加速系数相乘可以获得电源工作时寿命时间的上限值，即τ＝θ_U×A_t。一般情况下，确定电源寿命时间的下限值即可。

在其中一个实施例中，用定时截尾试验方案在试验无故障时采用单侧置信，给定置信度（1-β）100%，即：当试验过程中无故障电源时，获取该电源的置信度，并采用以下公式确定电源寿命时间：

τ = \frac{T}{\ln 1 / β} \times A_{t}

其中，τ表示电源寿命时间，T表示总试验时间，β表示置信度，A_t表示温度加速系数。

上述各实施例可以自由组合，本方案举其中一个运用实例进行说明。

根据表1中的激活能数据，将DC/DC电源退化失效的激活能取值0.7eV，将上式中MTBF的下限值换算到85℃（实际的工作温度）时，得出其工作时的寿命时间确定如下：

10只DC/DC电源产品在125℃（预设高温温度）、满负载条件下，利用公式

计算，进行了累计152976小时的寿命试验。试验过程中失效5只，由于失效样品难以修复，5只DC/DC电源样品按一极故障处理，加权系数取100%，即加权故障数r_w是5，用公式θ＝T/r_w计算出其平均故障间隔时间为：

θ＝T/r_w=1529765＝30595（小时）

试验以定时截尾计算，取90%的置信度，加权故障数为5只计算，经查表2，其下限因子为0.539，因此，根据平均故障间隔时间可得出其MTBF的下限值为：

将该MTBF的下限值换算到85℃时，得出其工作时寿命时间的下限值为：

其中，温度加速系数：

将小时换算成以年为单位时，得出的工作寿命时间为18.4年，该寿命时间高于电路的实际使用时间。

DC/DC电源的使用量大，几乎所有的整机系统都使用了DC/DC电源，因而在整机可靠性设计过程中，知道DC/DC电源的寿命时间数据才有利于进行整机的可靠性设计。大型电子设备的维修计划是保障电子设备正常工作的基本保证条件。整机系统中，DC/DC电源的维修更换是不可避免的，如何确保更换备件的储备，特别是工作寿命已到的元器件批次性更换，这对于大型电子装备的及时维修、保证电子装备的正常工作是非常重要的。本方案可以用于DC/DC电源的可靠性评价，在可靠性评价的基础上，通过采取针对性的优化措施，改进混合电路的生产工艺水平，提高产品的成品率。

本发明还提供一种电源寿命时间检测系统，如图2所示，包括：

试验时间获取模块210，用于获取高温试验中每个电源的有效试验时间，并计算各个待测电源的总试验时间；其中，高温试验为多个相同型号待测电源在预设高温下进行运行的试验；

故障电源个数获取模块220，用于当试验过程中有故障电源时，获取试验过程中故障电源的个数；

平均故障间隔时间确定模块230，用于根据总试验时长与故障电源的个数比值获得平均故障间隔时间；

温度加速系数计算模块240，用于采用公式

第一电源工作寿命时间确定模块250，用于从预设的置信因子表中查找置信因子，将置信因子、加速系数和平均故障间隔时间相乘获得待测电源工作寿命时间。

在其中一个实施例中，故障电源个数获取模块包括：

等级划分模块，用于确定试验过程中的故障电源，将故障电源按照故障损坏程度进行划分等级；

故障电源个数确定模块，用于将不同等级的故障电源数量对应与各自等级故障系数相乘，并将各乘积结果求和得到故障电源个数。

在其中一个实施例中，试验时间获取模块采用以下公式计算各个待测电源的总试验时间：

T = (n - r) t + Σ_{i = 1}^{r} t_{i}

其中，T表示总试验时间，n表示试验的待测电源个数，r表示发生故障的电源个数，t表示试验截止时长，t_i表示故障电源i失效前试验时间。

在其中一个实施例中，还包括第二电源工作寿命时间确定模块，用于：

当试验过程中无故障电源时，获取该电源的置信度，并采用以下公式确定电源寿命时间：

τ = \frac{T}{\ln 1 / β} \times A_{t}

在其中一个实施例中，电源工作寿命时间确定模块之前，还包括：

置信度获取模块，用于获取待测电源的置信度；

置信因子确定模块，用于根据置信度和故障电源的个数确定置信因子；

置信因子表建立模块，用于根据各待测电源的置信因子与故障电源个数之间的关系建立置信因子表。

本发明的电源寿命检测系统与本发明的电源寿命检测方法是一一对应的，上述电源寿命检测方法实施例中的相关技术特征及其技术效果均适用于电源寿命检测系统实施例中，在此不再赘述。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种电源寿命检测方法，其特征在于，包括步骤：

采用公式

2.根据权利要求1所述的电源寿命检测方法，其特征在于，所述获取试验过程中故障电源的个数步骤，包括：

3.根据权利要求1所述的电源寿命检测方法，其特征在于，所述计算各个待测电源的总试验时间包括以下公式：

T = (n - r) t + Σ_{i = 1}^{r} t_{i}

4.根据权利要求1所述的电源寿命检测方法，其特征在于，当试验过程中无故障电源时，获取该电源的置信度，并采用以下公式确定电源寿命时间：

τ = \frac{T}{\ln 1 / β} \times A_{t}

5.根据权利要求1至3任一项所述的电源寿命检测方法，其特征在于，所述从预设的置信因子表中查找置信因子步骤之前，还包括：

获取待测电源的置信度；

根据所述置信度和故障电源的个数确定置信因子；

6.一种电源寿命检测系统，其特征在于，包括：

温度加速系数计算模块，用于采用公式

第一电源工作寿命时间确定模块，用于从预设的置信因子表中查找置信因子，将所述置信因子、所述加速系数和所述平均故障间隔时间相乘获得待测电源工作寿命时间。

7.根据权利要求6所述的电源寿命检测系统，其特征在于，所述故障电源个数获取模块包括：

8.根据权利要求6所述的电源寿命检测系统，其特征在于，所述试验时间获取模块采用以下公式计算各个待测电源的总试验时间：

T = (n - r) t + Σ_{i = 1}^{r} t_{i}

9.根据权利要求6所述的电源寿命检测系统，其特征在于，还包括第二电源工作寿命时间确定模块，用于：

τ = \frac{T}{\ln 1 / β} \times A_{t}

10.根据权利要求6至8任一项所述的电源寿命检测系统，其特征在于，所述电源工作寿命时间确定模块之前，还包括：

置信度获取模块，用于获取待测电源的置信度；

置信因子确定模块，用于根据所述置信度和故障电源的个数确定置信因子；