彭 杨

（合肥华耀电子工业有限公司，安徽合肥 230009）

引言

DC-DC 电源模块是一种运用功率半导体开关器件实现DC-DC 功率变换的开关电源。近年来，随着市场需求的不断提高和国防技术的不断进步，DC-DC 电源模块在计算机、工业仪表、雷达、卫星等设备上的应用越来越广泛。组合DC-DC 电源在实现电压转换的同时还具有输入输出隔离的功能，除此之外，组合DC-DC 电源凭借其功耗小、效率高、体积小、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点，在邮电、通信、电力、煤矿、航空航天、军工等领域有着极其广阔的发展前景[1-4]。

目前制约组合DC-DC 电源应用的瓶颈之一就是可靠性，可靠性预计是可靠性工作中的关键步骤，可靠性预计的目的是为了能够定量地分析设计产品在给定工作条件下的可靠性水平高低以及研发过程中出现的缺陷问题，可靠性预计是方案择优、改进设计，确保产品满足可靠性指标要求的不可缺少的技术手段。该研究起源于20 世纪50 年代，经过70 年左右的发展，应用于电子产品可靠性预计的方法已经趋于成熟。文献[5]基于GJB/Z299C，采用应力分析法对智能电能表的关键元器件进行可靠性预计，并设计了可靠性信息输入表，简易方便的特性让它在企业中已经实现；基于元件层级和电源可达性，建立等效负荷故障后果模式列表，再采用蒙特卡罗模拟算法统计停电故障计算配电网可靠性指标。该方法在确保准确性的基础上提升了可靠性计算的速度，适用于复杂配电网中；建立了器件短时停运率模型，结合场景分析法对微电网运行可靠性进行评估，相比传统的评估方法更加准确，但是评估的器件较少；基于FLN 网对含分布式电源的配电网可靠性进行分析，该方法虽然预测精度较高，但是整体复杂，难以应用到实际工程中；均采用故障树法对不同系统进行可靠性分析，其中对线性时间算法进行改进，去除了故障树中的冗余信息，从而减少大型故障树分析的计算时间和内存消耗；除此以外，最新的进展如提出的一种基于隐图解评审技术网络模型来进行系统可靠性预计和评估的方法，该方法可计算出系统由初始完好状态劣化至任意状态间性能退化量的期望，进而对装备可靠性水平进行预计并安排检修。如同文献[5]中所述，应力分析法是在大量的实验中统计并分析得出的可靠性预计方法，其预计结果更符合元器件的实际预计情况。因此，在国内电子行业中，基于GJB/Z299C 所提出的应力分析法应用最为广泛。本研究利用此方法对组合DC-DC 电源进行可靠性预计，可找出电源的薄弱环节、挑选合适的元器件、优化电源的设计方案，从而提高系统可靠性，满足市场和国防的需要。

基于上述考虑，本研究对组合DC-DC 电源采用基于GJB/Z299C 所提出的应力分析法进行可靠性预计。通过分析计算组合DC-DC 电源内各器件的失效率，得到电源在不同工作环境下可靠性预计值，对准确预计实际情况下的电源寿命提供理论支撑，为实际工程中产品方案择优、改进设计提供科学依据，推动组合DC-DC 电源在军工等领域的可靠性工程应用。

1 组合DC-DC 电源设计

1.1 组合DC-DC 电源要求

组合DC-DC 电源的输入输出特性见表1。

表1 组合DC-DC 电源的输入输出特性

电源输入电压为270 V±10%，输出功率为17.2 kW。输出共七路，分别由四路+48V85A、一路+28V30A、一路+5V5A 和一路-5V1A 构成。电源正常工作时温度区间为-40 ℃～+70 ℃，可以实现48 V电源外接输入控制和故障检测等功能。

1.2 组合DC-DC 电源工作原理

组合DC-DC 电源由四路48V85A 模块、一路28V30A 模块、一路+5V5A 模块、一路-5V1A 模块和故障检测模块组成。其中，电压输出模块包括输入保护电路、输入滤波电路、DC/DC 变换电路、输出滤波电路四部分，共同实现降压功能。组合DC-DC 电源的原理框图见图1。其中，四路48V85A 模块通过主线并联输出。每路48V85A 模块从主线上采集270 V 电压，在控制系统的监测下，由三条并联的降压电路降压至48V，通过滤波电路输出响应。28V30A 模块与主线直接相连，该模块由270 V 电压输入，然后降压至28 V并通过滤波电路分两路输出，一路输出28 V 电压，一路为其他模块提供电能。+5V5A、-5V1A 模块由28V30A 模块提供电能，通过输入保护电路、输入滤波电路、DC/DC 变换电路、输出滤波电路，达到稳定输出电压与电流的目的。故障检测模块以28V30A 模块为辅助电源，从各电路的输出中采样，分析电压电流等参数，判断电路工作状况，最后由RS422 通信接口输出相应信号，以此实现电源的故障检测功能。

图1 组合DC-DC 电源的原理框图

2 组合DC-DC 电源的可靠性预计

2.1 可靠性框图

组合DC-DC 电源的基本可靠性模型可以估计该电源中组成部件可能发生故障所引起的维修及保障要求的可靠性模型。当五个组成部件中任何一个发生故障时，整个电源就会发生故障，影响整个电源的性能，这是一个典型的串联可靠性模型，其可靠性框图见图2。

图2 组合DC-DC 电源的可靠性框图

组合DC-DC 电源的工作失效率为各部件工作失效率之和，每个部件的工作失效率是组成该部件的所有元器件工作失效率之和。值得一提的是，并联的48 V 电路是为了组合输出4 路48V85A 的功率，没有并联冗余功能，对组合DC-DC 电源来说，即使当器件同时发生故障时，仍属于串联失效模型。为此采用普通概率法建立基本可靠性数学模型：

其中，Rs(t)表示电源的可靠度；Ri(t)表示部件的可靠度；n 表示组成系统的部件数量。假定所有的部件寿命均服从指数分布，则电源的可靠度可由下式计算：

进一步对各部件的内部元器件进行分析，各部件的组成参数，如元器件类型、数量、质量等级、环境因素、应力系数、温度系数等在表2 中给出，则部件的可靠度可由其内部各元器件的可靠度相乘得到，同理，假定所有的元器件寿命均服从指数分布，得到部件可靠度表达式：

表2 组合DC-DC 电源的部分元器件汇总

其中，Rp(t)表示元器件的可靠度；λp表示元器件工作失效率。从公式中可以看出，工作失效率越高，可靠度越低，部件的失效率为所有元器件工作失效率之和。

2.2 元器件失效率估计

针对各部件内的多种元器件，通过表3 展示出基于GJB/Z299C-2006 手册提供的各类元器件可靠性预计模型。

表3 基于GJB/Z299C-2006 的元器件预计模型

由于实际工作环境的复杂性，本研究挑选了五种不同工作环境的可靠性预计值进行定量计算，包括地面良好（GB）、恶劣地面固定（GF2）、运输机无人舱（AUC）、舰船舱外（NU）和导弹发射（ML），图3 展示了在五种工作环境中组合DC-DC 电源各元器件的工作失效率情况，工作失效率越小则代表该元器件的使用寿命越久。对比图中地面良好，恶劣地面固定和其他三种工作环境下各元件工作失效率可以发现，相同元器件在不同环境中有着显著的差异。地面上器件的失效率明显低于其他环境，尤其是地面良好的环境下，而在导弹发射、舰船舱外、运输机无人舱的工作环境中，元器件易受腐蚀、磨损等因素影响，因此失效率偏高。值得注意的是，在运输机无人舱环境中，瓷片电容和光耦的失效率高于其他工作情况。在相同工况下，各元器件的工作失效率也具有明显的差异，晶振、光耦、变压器的失效率相比于其他元器件属于可靠性较高的水平。在地面良好情况下，晶振的失效率是电阻失效率的80 倍，铝电解电容的失效率约为瓷片电容的13 倍。另外，电感在导弹发射工况下的失效率比地面良好工况下的晶振失效率要高，这表现出工作环境对器件失效率有着深刻的影响。总体来看，对组合DC-DC 电源部件进行分析并研究各元器件的失效率具有深刻的指导意义，只有通过可靠性预计模型对各种不同工作情况下的电源系统进行分析计算才能更好地在实际应用中对元器件选材，做到兼顾产品生产时的经济性以及可靠性。

2.3 组合DC-DC 电源的失效率估计

根据表2 的组合DC-DC 电源的元器件汇总表，图3 中计算得到的各元器件的工作失效率预计值，以及公式（1）至公式（4）统计得出组合DC-DC 电源在五种不同工作环境下的各部件的失效率和电源总工作失效率，见图4。

图3 不同工作环境下元器件工作失效率的比较

从图4 可以看出，几种工作环境下总工作失效率值的降序排列是：导弹发射、舰船舱外、运输机无人舱、恶劣地面固定和地面良好。其中，导弹发射工作环境下电源的工作失效率最高，为110.33×10-6/h，达到地面良好工作环境下的失效率3.79×10-6/h 的29 倍。此外，平均故障间隔时间（MTBF）也是考查电源可靠性的一个重要指标，它是电源的总工作失效率的倒数：

图4 组合DC-DC 电源的总工作失效率预计的比较

五种工作状态下电源的可靠性指标，即MTBF 值汇总见表4。考虑到预计时的各种误差以及现场环境的复杂性，实际的可靠性指标需要按预计的理论值缩小1.2～1.8 倍，本研究依据实际工程经验按1.5 倍缩小得到可靠性指标供实际工程参考。从表中可以看出，导弹发射的工作环境非常苛刻，组合DC-DC 电源的实际可靠性指标只有约6 000 h 左右，在实际的工程当中，可以先利用可靠性失效模型，找出薄弱环节并针对性的选用低失效率元器件，进而达到在较低的成本下提高电源整体可靠性的目标。

表4 组合DC-DC 电源的可靠性指标

3 结论

本研究对实际工作环境下的组合DC-DC 电源可靠性进行预计分析，针对串联可靠性失效模型，组合DC-DC 电源的可靠性预计采用了“自下而上”的方法。首先，对该电源的系统结构进行了分析，并将其划分为五个部件，即48 V 电路、28 V 电路、5 V 电路、-5 V 电路和通信电路部分。其次，对各部件的组成参数，如元器件类型、数量、质量等级、环境因素、应力系数、温度系数等进行了分析。紧接着根据元器件的可靠性模型，确定各元器件的预计算式，并对电源中各元器件的工作失效率进行估算。最后，将各元器件的工作故障率相加，得到各部件的总工作失效率，将各部件的总工作失效率相加，得到电源的可靠性指标。

本研究通过深入分析电源工作原理框图和各元器件的技术参数，得到组合DC-DC 电源在不同环境下的可靠性预计值。该研究针对实际情况，分析具体工程实例中的产品可靠性指标，推动了组合DC-DC电源在实际工程应用中的发展，为产品方案择优、改进设计提供了科学依据。