可靠性分析在SPD中的应用

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发布时间：2011-08-10 08:35:46  更新时间：2023-07-11 16:01:00

可靠性分析在SPD中的应用
贾军
摘要：可靠性问题一直以来是各个行业关注的重点，伴随着电子工业的迅猛发展，可靠性分析将会越来越多的应用到该领域。在过电压防护领域中，SPD(Surge Protection Device)及浪涌保护系统的可靠性在电源、信号及射频显得尤为重要。本文使用系统性分析的方法对SPD的可靠性进行了分析，提出了提高SPD可靠性的途径，为今后的SPD技术发展提供了参考。
关键词：可靠性；SPD；过电压；浪涌保护

0 引言
近代科技中，对元器件、零部件、整机、系统的可靠性提出了越来越高的要求。随着人们越来越多的使用电子元器件，电子元器件不能承受过电压和过电流的缺陷导致过电压保护器件在越来越多的行业中使用。于是各个行业针对SPD的可靠性提出了更高的要求。因此，为了适应现代科技的发展及基于设备、系统安全的考虑，对SPD的可靠性问题进行系统的分析并提出提高其可靠性的途径是很有必要的。
1 串联系统与并联系统的可靠性评价方法
由于包括SPD在内的各种产品都是通过若干个单元为了完成规定的功能而组合在一起的。因此除了针对单个部件和真个产品性能的评估外，还需要对系统结构进行可靠性评价。针对系统最基本的评价方法有串联系统和并联系统两种，因为任意的系统均可由这两种关系组成。
1.1 串联系统的可靠度
串联系统指的是对于一个系统来说，如果只要有一个单元失效就导致整个系统的失效，或者只有当所有单元都正常工作时，系统才正常工作。串联系统的模型如图一所示：

 

设在时间t内，SPD的压敏单元Ai正常工作的事件为Xi，则串联系统的可靠度R（t）就是所有这n个单元同时正常工作的概率。即：
R（t）=P（x1•x2•……•xn ）
若各单元可靠度相互独立，则串联系统的可靠度为：
P（x1）= R1（t）
P（x2︳x1）= P（x2）=R1（t）
……
P（xn︳x1•x2•……•xn ）= P（xn）=Rn（t）
于是串联系统的可靠度为：
R（t）= ∏ni-1 Ri（t）
由此式可见，单元数目越多，串联系统的可靠度越低。
1.2 并联系统的可靠度
并联系统指的是只要有一个单元还未失效，则整个系统就不发生故障，或者说只有当所有单元都失效时，整个系统才失效。并联系统模型如图二所示：
 

 

设在时间t内，压敏单元Bi，发生故障的事件分别为Yi，则系统不可靠度为：
F(t)= P（y1•y2•……•yn ）
同理得到：
F（t）= ∏ni-1 Fi（t）
则可得出，并联系统的可靠度为：
R（t）=1- ∏ni-1 Fi（t）=1- ∏ni-1 [1-Ri（t）]
由此式可见，单元数目越多，并联系统的可靠度越高。
1.3 并串联系统的可靠度
对于SPD和其他的产品来说，很少有单一串联的系统或单一并联的系统，往往都是综合两者的系统。串并联系统指的是各单元的关系先串联，然后并联组合。并串联系统指的是各单元的关系为先并联，然后串联组合。SPD的应用中多采取并串组合的方式，如图三所示：

其中并串联系统的可靠度为：
Rsp =1-（1-Rn）k
由此可以看出，SPD最终采取的还是MOV与GDT的串联组合且系统已经简化到极致。因此要保证SPD的可靠性，均需要保证MOV和GDT单元的可靠性，即我们通常所讲的可靠度、瞬时故障率及平均故障间隔时间。
2 保证和提高SPD可靠性途径
基于上述的分析可以看出保证SPD可靠性的问题集中在保证MOV和GDT的可靠性上了，因此两个器件的参数正态分布将直接影响到SPD的可靠性。除此之外，选取器件的过程中，减额使用的原则也是非常重要的，即设计时让元器件、零部件和组件在低于负荷的情况下使用。
2.1 静态参数一致性控制
对于SPD中的静态参数来讲，在设计阶段均做过SPD的极限测试，即MOV和GDT电压分别在最高和最低情况下的不同组合，这样制定出的上限下限将作为器件参数正态分布时参考的关键指标。根据R（t）= ∏ni-1 Ri（t）可以看出，要保证R（t）越低，前提是保证RMOV（t）和RGDT（t）的可靠度。通过静态参数的正态分布图可以看出，只要保证参数的一致性即可在很大程度上保证系统的可靠度。如图四所示：
 

 

[参考文献]
[1] 郎志正 质量管理及其技术方法 2003，345～361.
[2] 马逢时 刘传冰 等 六西格玛管理统计指南--MINTAB使用指导 2007，第四章