品英知庫 | 程控開關模塊的MTBF計算方法

本文探討了Pickering程控開關產(chǎn)品可靠性的計算方法，重點介紹了MTBF指標及其計算公式，同時考慮了繼電器類型、開關構型、負載、循環(huán)次數(shù)、質(zhì)量、環(huán)境及應用等因素對MTBF的影響，以及如何準確評估大規(guī)模開關矩陣的可靠性。

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

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

目前主流的描述產(chǎn)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(chǎn)品總運行時長與故障次數(shù)的比值。由于多數(shù)整機產(chǎn)品的MTBF為數(shù)千至數(shù)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(shù)值。所以目前有3個常用的參考規(guī)范規(guī)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(chǎn)品的行業(yè)標準Bellcore。

這幾個標準的應用范圍有所不同，但是數(shù)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(qū)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(jīng)各種影響因素。主要包括：

元器件基準故障率：規(guī)范中規(guī)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(chǎn)品設計用于室溫環(huán)境，并有機箱輔助控溫，可以采用0.0059/百萬小時的數(shù)據(jù)。

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

開關負載因數(shù)：輕載為1，純阻性滿載為4.77。注意隨著外部負載特性發(fā)生變化，此因數(shù)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?！?/p>

循環(huán)因數(shù)：每小時不高于10次操作的繼電器記為1，每小時10~1000次記為10，每小時高于1000次記為100.

質(zhì)量因數(shù)：商用級別產(chǎn)品記為2.9，軍用級別記為0.1。Pickering的產(chǎn)品建議采用1或1.5。

環(huán)境因數(shù)：實驗室環(huán)境記為1，外場環(huán)境記為2。

應用因數(shù)：一般干簧繼電器記為6.

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

例：16個繼電器，低負載

室內(nèi)環(huán)境，16個繼電器，低負載，

每個繼電器每小時操作不高于100次。

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

= 176,553(h)

例：超大規(guī)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(jù)產(chǎn)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(shù)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(nèi)，超大規(guī)模開關矩陣內(nèi)部絕大多數(shù)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(tài)。信號負載功率的分布也很不均勻。因而要估計超大規(guī)模開關矩陣產(chǎn)品的MTBF，需要對其工作狀態(tài)進行準確的設計或評估，基于實際情況進行計算。各項參數(shù)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，其它不高于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(guī)模開關產(chǎn)品的工作狀態(tài)，可以更準確預估并優(yōu)化產(chǎn)品的可靠性。