開關電源可靠性的模糊預計及再分配

彭紹偉 袁瑞 高水華 梅映新

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

開關電源是利用現代電力電子技術，通過控制開關管的占空比來維持穩定輸出電壓的一種電源[1]。開關電源廣泛地應用于電子、計算機、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事等各個方面。隨著電源設備日趨復雜，使用的環境也變得惡劣多樣，對運行中的開關電源往往不允許檢修或只能從事簡單的維護等等，這樣就對開關電源的可靠性要求非常高。在現有的文獻中，許多學者對開關電源的可靠性設計進行了很深入的研究，提高可靠性的措施有很多，比如：簡化電路、減少元件、提高集成化程度、選擇高可靠性的元件、改善電子系統的使用環境、減小元器件的負荷率等[2~5]。但是，對開關電源可靠性預計的文章不多，有的學者用 BP神經網絡的方法對開關電源進行可靠性預計，有的使用相似產品預計法、有的使用元器件應力分析法、有的使用通用元器件計數法等[6，7]。但是除了使用 BP神經網絡的方法外，其余的方法對帶有時序特征呈高度非線性數據的處理往往精度不高，帶有局限性。本文提出了對開關電源的可靠性進行模糊預計的方法?？煽啃灶A計是根據歷史的產品可靠性數據（檢驗或檢修產品）、系統的構成和機構特點等估計系統的可靠度。開關電源可靠性預計的目的是盡早找出設計中的薄弱環節，建立元器件的選擇與設備功能的備份原則，并通過不斷反饋，提高設備的可靠性；其次是將可靠性數據規范管理起來，為今后產品的可靠性設計工作提供有力的數據支持和設計指導。開關電源可靠性分配的目的是將設計規定的系統可靠度指標合理地分配給組成該系統的各個單元，確定系統各組成單元的可靠度定量要求，從而保證整個開關電源系統的可靠性指標。

1 開關電源可靠性的幾個定義

1.1 可靠性

開關電源在規定的條件和時間內，保持一定性能水平或在某種程度上完成規定的能力，稱為開關電源的可靠性。這種可靠性是一個與時間有密切關系的屬性，隨著時間的推移，其可靠性就變差。所以在評價開關電源的可靠性時必須指明是多長時間范圍內的可靠性，離開了時間談可靠性是毫無意義的。本文評價開關電源的可靠性是就當前的時間而言的。

1.2 故障

開關電源在某種程度上喪失規定的功能稱為故障。

1.3 可靠度R

開關電源在規定的環境條件下和規定的時間內完成規定功能的概率稱之為開關電源的可靠度，用R表示。

1.4 失效率λ

開關電源工作到某時刻，在單位時間內發生某類故障的概率稱之為開關電源的失效率，用λ表示。

2 開關電源可靠性的模糊預計方法

2.1 確定影響開關電源模糊評判的因素集

影響開關電源可靠性綜合評分的因素很多，本文僅考慮技術水平、重要程度、難易程度、環境條件這4個因素[8]。

2.2 確定因素的權重集

權重反映各因素在綜合評判中所占的地位與作用，它將直接影響模糊評判值。通常是憑經驗或專家打分用統計的方法建立各個因素間的權重分配，記為：

2.3 建立模糊關系矩陣

因素集內各因素所處的狀態可用“高、較高、一般、較低、低”或者其他離散等級表示。各因素的等級集記為：

式中：1≤i≤4，1≤j≤5

每個等級都有一個相對隸屬度，它可視為各等級的標準值，其取值由各因素對綜合評分的作用效果確定。所有等級的相對隸屬度組成一個集合，根據經驗，本文取為：

在（3）式中，相對隸屬度越大，表明單元的可靠度越低，失效率越大。對技術水平而言，技術水平高，可獲得高可靠度、低失效率，因此可推出 s1=0.2；技術水平較高，取 s2=0.4；其余就以此類推。各因素的等級排列見表1。

表1 因素評判等級表

對任一因素，可采用專家評分法獲得對單因素的評價。在一般應用中，對各因素的評價作歸一化處理，記為：

聯合評價各個單因素，可得到一個從因素集到評判集的模糊關系矩陣F，記為：

2.4 確定單元綜合評分數

根據模糊變換原理，可得模糊綜合評判矩陣：

其中用實數加乘法模型計算，單元的綜合評分數計算式為：

2.5 開關電源系統的可靠性預計

對開關電源系統做如下假設：

（1）組成開關電源的各元器件（或部件）的故障是相互獨立的。

（2）開關電源電路的所有元器件的可靠性特征量均用失效率λi表示，且各元器件的失效率λi都是常數，即假設它們的壽命均服從指數分布。

（3）所有的連接導線是完全可靠的。

（4）印刷電路板及焊接是完全可靠的。

因為任一個單元若出現故障，那么開關電源便不能工作，因此開關電源的系統一般由各個單元串聯組成。設各單元相互獨立且工作時間相等，則系統可靠度R等于各單元的可靠度之積，即：

若已知某單元的可靠度為R，則其他單元的可靠度預計值可表示為：

式中：

式中：Ci為第i個單元的綜合評分數，C為已知可靠度單元的綜合評分數。

3 開關電源可靠性的再分配法

，則，系統的可靠度為：

如果該R值小于規定的系統可靠性指標R*，即所設計的系統不能滿足規定可靠度指標要求，那么就需要進一步設計以提高其可靠度，也就是要對各個分系統的可靠性指標進行再分配。其具體步驟如下[9]：

（1）將各單元的可靠度值按由小到大的次序排列。

（2）將可靠度較低的 R1，R2，…Rm都提高到某個可靠度值 R0，而原來較高的可靠度值Rm+1，…，Rm則保持不變，則系統可靠度值為：

（3）確定m及R0，也就是確定哪些單元的可靠度需要提高，以及提高到什么程度。R0的值可用式（15）求得：

m值可以通過下面的不等式求得：

4 開關電源可靠性的模糊預計及再分配實例

以文獻[1]中的電路為例，開關電源的電路主要是由輸入整流濾波電路、高頻變壓器、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。要使開關電源的可靠度達到0.90，下面利用可靠性模糊預計方法來預計開關電源的可靠性及用再分配方法來推出各個單元為達到要求所需要的實際可靠度。

因為這四個部分都不能相互取代，所以可以認為開關電源是由輸入整流濾波電路、高頻變壓器、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成的串聯系統。輸入整流濾波電路的可靠度一般為0.96，可利用輸入整流濾波電路的可靠性數據來預計其它三個單元的可靠性。根據經驗，對這四個單元評判后的模糊關系矩陣為：

權重分配為：a=（0.2，0.5，0.2，0.1）。

在上式的矩陣中，F1，F2，F3，F4分別代表輸入整流濾波電路、高頻變壓器、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路；其各行分別代表為開關電源可靠性綜合評分的因素：技術水平、重要程度、難易程度、環境條件；其各列分別代表為因素集內各因素所處的狀態：高、較高、一般、較低、低。根據（6）式可得：

由（7）式得各單元綜合評分數為：已知輸入整流濾波電路的可靠度為 0.96（單元1），按（9）、（10）式預計高頻變壓器、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路的可靠度分別為：

這樣預計開關電源的可靠度為：

由于開關電源的可靠度為 0.870，則該可靠度值不能滿足設計規定值，因此需要提高單元的可靠度，進行可靠度再分配。設m=1，由式（15）得：

需另設m值。設m=2，則：

仍需另設m值。設m=3，則：

因為 R3＜R0＜R4，所以分配有效。

所以該開關電源串聯系統的可靠度再分配結果是：

5 結論

本文系統地闡述了模糊預計與可靠度再分配的相關概念及其原理。在開關電源的初步設計階段，可靠性數據比較缺乏，這時采用可靠性的模糊預計方法，利用待預計單元的可靠性與已知單元的可靠性之間的關系，預計開關電源的可靠性，為初步設計提供可靠性信息，然后將設計規定的系統可靠度指標合理地分配給組成該系統的各個單元，確定系統各組成單元的可靠性定量要求，從而保證整個系統的可靠性指標，為初步設計提供可靠性信息。這種方法概念明確、思路清晰，是開關電源初步設計階段預計其可靠性的好方法。在相似的產品研發中，可以利用模糊預計給出新產品的可靠性指標，為提高產品質量及后續的可靠性工作提供依據和幫助。

[1]袁瑞, 和衛星等. 基于 TOP247Y 的通用單片開關電源設計[J].電源技術, 2011.

[2]徐小寧.開關電源可靠性設計研究[J].電氣傳動自動化,2009, (3).

[3]聶世剛.加固計算機用開關電源的可靠性設計[J].電子產品可靠性與環境試驗,2006, (2).

[4]黃永俊，張居敏，胡月來.開關電源可靠性的設計[J].農機化研究. 2005, (2).

[5]何宏等.開關電源電磁兼容[M]. 第一版.北京: 國防工業出版社,2008年

[6]周真等.基于 BP神經網絡的開關電源可靠性設計[J].電測與儀表, 2009.

[7]陳曉彤等.可靠性實用指南[M].北京: 北京航空航天大學出版社, 2005.7.

[8]王耀南, 孫煒等.智能控制理論及應用[M].北京:機械工業出版社, 2008.2.

[9]金偉婭, 張康達.可靠性工程[M].北京: 化學工業出版社, 2005.