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              品英知庫 | 程控開關模塊的MTBF計算方法

                2022年12月13日  

              Pickering的程控開關產品型號眾多,采用的繼電器類型多樣。

              將不同數量的繼電器,組裝成為開關模塊后,該如何準確描述最終產品的可靠性?

              目前主流的描述產品可靠性的指標是MTBF(Mean Time Between Failure, 平均無故障工作時間),單位為小時??梢院唵卫斫鉃楫a品總使用時長與故障次數的比值。由于多數整機產品的MTBF為數千至數萬小時,元器件的MTBF更高,大部分情況下是無法通過實測來獲取該數值。所以目前有3個常用的參考規范規定了MTBF的具體試驗和計算方法。分別是美軍標MIL-HDBK-217,國軍標GJB/Z299B和AT&T貝爾實驗室提出的針對商用電子產品的行業標準Bellcore。

              這幾個標準的應用范圍有所不同,但是數學方法大同小異。我們計算開關模塊MTBF時采用的公式主要參考了MIL-HDBK-217。

              從元器件的角度考慮,開關器件的故障率遠高于基于半導體技術的通訊芯片、驅動芯片,也遠高于PCB、阻容器件、連接器等無源器件,因此計算開關模塊MTBF主要考慮的因素就是繼電器本身、組合關系、已經各種影響因素。主要包括:

              元器件基準故障率:規范中規定默認值為25℃時0.0059/百萬小時,30℃時0.0067/百萬小時。由于我們的產品設計用于室溫環境,并有機箱輔助控溫,可以采用0.0059/百萬小時的數據。

              開關構型因數:SPST(單刀單擲)開關最穩定可靠,因數為1;DPST(雙刀單擲)因數為1.5

              開關負載因數:輕載為1,純阻性滿載為4.77。注意隨著外部負載特性發生變化,此因數可達200甚至更高,但是這種情況極易引起開關器件過載損壞,不屬于正常使用,所以計算時不予考慮?!?/FONT>

              循環因數:每小時不超過10次操作的繼電器記為1,每小時10~1000次記為10,每小時超過1000次記為100.

              品質因數:商用級別產品記為2.9,軍用級別記為0.1。Pickering的產品建議采用1或1.5。

              環境因數:實驗室環境記為1,外場環境記為2。

              應用因數:一般干簧繼電器記為6.

              計算公式為:MTBF = 1e6/(同類器件數量*以上所有的乘積),單位為小時

              例:16個繼電器,低負載

              室內環境,16個繼電器,低負載,

              每個繼電器每小時操作不超過100次。

              MTBF=1e6/(16*0.0059*1*1*10*1*1*6)

              = 176,553(h)

              例:超大規模矩陣

              以Pickering的BRIC矩陣為例,某型號包含2238個繼電器。其中2208個是矩陣主體,24個是隔離繼電器,6個是備用繼電器(備件不參與工作,計算MTBF時可排除)。

              根據產品的工作原理考慮,隔離繼電器自動跟隨矩陣繼電器動作,大多數應用中其切換頻率與矩陣繼電器相當或略低,所以不需要單獨計算。

              在幾乎所有類型的應用中,在某一個觀測時間段內,超大規模開關矩陣內部絕大多數繼電器的切換頻率極低,少部分繼電器處于中速或告訴切換狀態。信號負載功率的分布也很不均勻。因而要估計超大規模開關矩陣產品的MTBF,需要對其工作狀態進行準確的設計或評估,基于實際情況進行計算。各項參數評估越精確,MTBF的計算結果也就越準確。

              以某典型應用為例,通過的均為輕載信號,5%的繼電器操作頻率達到1000次/小時,其它不超過10次/小時。

              計算可得

              MTBF=1e6/(2232*0.5*0.0059*1*1*100*1*1*6+2232*0.95*0.0059*1*1*1*1*1*6)=2127(h)

              但是如果高速切換的繼電器操作頻率上限為100次/小時,MTBF就提高到

              MTBF=1e6/(2232*0.5*0.0059*1*1*10*1*1*6+2232*0.95*0.0059*1*1*1*1*1*6)=8728(h)

              可見合理設計并準確評估大規模開關產品的工作狀態,可以更準確預估并優化產品的可靠性。

              (來源:品英)

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