【宏虹分享】Pickering 程控開關模組的MTBF計算方法

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將不同數量的繼電器,組裝成為開關模組後,如何描述最終產品的可靠性?

目前主流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。可以簡單理解為產品總使用時長與故障次數的比值。由於多數整機產品的 MTBF為數千至數万小時,元器件的 MTBF更高,大部分情況下是無法透過實測來獲取該數值。

所以目前有3個常用的參考規範規定了 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。

這幾個標準的應用範圍有所不同,但是數學方法大同小異。我們計算開關模組 MTBF時採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於半導體技術的通訊芯片、驅動芯片,也遠高於 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、組合關係、以及各種影響因素。主要包括:

元器件基準故障率:規範中規定默認值為 25℃時,0.0059 / 百萬小時;30℃時,0.0067 / 百萬小時。由於我們的產品設計用於室溫環境,並有機箱輔助控溫,可以採用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,不屬於正常使用,所以計算時不予考慮。 ·

  • 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的產品建議採用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:一般幹簧繼電器記為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


例子: 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/(160.0059111011*6)

= 176,553(h)


例子: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(配件不參與工作,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,少部分繼電器處於中速或告訴切換狀態。信號負載功率的分佈也很不均勻。

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,並基於實際情況進行計算。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/(22320.50.005911100116+22320.950.0059111116)=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/(22320.50.00591110116+22320.950.0059111116)=8728(h)

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


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