某型弹载固态转电模块的可靠性预计分析_柏元忠.pdf

某型弹载固态转电模块的可靠性预计分析柏元忠 张俊杰李静唐璐丹唐洪贶桂林航天工业学院电子信息与自动化学院，广西桂林 ；桂林市打造世界级旅游城市工作推进中心综合科，广西桂林 （）摘要：针对某型弹载固态转电模块工作可靠度 这一可靠性指标，首先推导了其可靠性预计的数学模型；然后在已完成详细设计方案的前提下，使用应力分析法，根据 中的电子元器件工作失效率模型及数据，计算统计了转电模块的总失效率为 （）；最后对转电模块进行了可靠性评估，算得可靠度 ，证明了转电模块的设计方案满足总体单位的可靠性指标要求。上述可靠性预计过程对武器装备的可靠性设计工作具有明确的指导与参考意义。关键词：固态转电模块；可靠性预计；应力分析法；可靠性评估中图分类号：文献标志码：文章编号：（）在传统导弹系统中，一般使用大功率继电器等机械式开关进行地面电源与弹载电源的转换控制（业内称转电控制）。随着固态功率半导体技术与微电子技术的发展及其在供配电领域的推广应用，新研导弹系统逐渐尝试使用固态转电模块替代机械式开关进行发射过程中的转电控制与状态监测。某型弹载固态转电模块（后续简称转电模块）正是在这一大背景下立项研制的，用于某导弹电源系统的转电控制及相关状态监测，属于导弹控制系统的关键功能组件。作为“六性”之一的可靠性是弹载设备必须要执行的设计约束。可靠性预计是在设计阶段对产品的可靠性水平进行定量估计，从而评价可靠性指标，更是产品可靠性试验前唯一能给出其可靠性指标预计值的方法。可靠性预计的常见方法有 相似产品法、评分预计法（也称专家评分法）、基于手册的预计方法（也称手册式预计方法，常见的为元件记数法和应力分析法）和基于失效物理模型的预计方法。转电模块作为需要在严酷环境下工作的电子功能组件，在完成详细方案设计中的电路设计及元器件选型后，使用 电子设备可靠性预计手册，中的应力分析法进行可靠性预计。可靠性预计结果表明，转电模块设计方案的可靠性指标满足技术要求。可靠性工作目标及指标可靠性工作目标确保转电模块达到规定的可靠性要求，满足导弹的战备完好性和任务成功性要求，降低对型号保障资源的要求，减少寿命周期费用。可靠性指标对于武器装备来说，一般情况下航天领域以工作可靠度的形式给出，而航空、兵器、船舶等其他领 域 则 以 平 均 故 障 间 隔 时 间（，）的形式给出。转电模块作为航天领域产品，总体单位规定的可靠性指标为：可靠度 。年第期（总第 期）桂林航天工业学院学报 航空航天研究基金项目：科技计划项目桂林市重点研发计划项目“基于 技术的功率器件快速、智能在线无损检测装备开发及产业化应用”（）。作者简介：柏元忠，男，湖南永州人。高级工程师。研究方向：智能供配电技术与应用、嵌入式系统与智能控制技术。基本可靠性框图及数学模型转电模块是组合式的功能组件，需要完成多种功能的控制。根据转电模块完成的功能，可以分成个功能单元。根据 可靠性模型的建立和可靠性预计 的基本可靠性模型要求，转电模块基本可靠性框图如图所示。图基本可靠性框图通过基本可靠性框图可见，转电模块的基本可靠性是串联结构模式，因此其可靠性模型如式所示。（）（）式（）中：为转电模块总可靠度；为图中个串联模块各自的可靠度，即为供电单元可靠度，为 控制单元可靠度，为 单元可靠度，为转电解除控制单元可靠度，为检测单元可靠度。根据指数分布计算公式 可得可靠度与失效率的关系如式所示。（）式（）中：为设备失效率，单位为；为设备工作时间，单位为。对于转电模块来说，从导弹激活发射升空到点火爆炸的总设定时间为 ，一般额外预留一倍裕量后取 ，即（）。将图中各单元的失效率设为（），则联合式（）、式（）可得（）（）式（）中：为转电模块的总失效率。显然，从式（）可知，对于转电模块来说，其总失效率是各功能单元的失效率之和。据此不难推断出，各功能单元的失效率也等于功能单元中各元器件的失效率之和。因此，实际进行可靠性预计时可以打破功能单元的局限，将整个产品中失效率模型相同的元器件失效率分别预计后再整体求和。可靠性预计.工作环境选定综合转电模块的工作任务及环境，为确保全任务条件下工作可靠度都满足要求，在此按照 电子设备可靠性预计手册.节的要求选取最严苛的环境作为可靠性预计的环境条件，具体为工作温度，预计环境分类为导弹发射，环境类别符号为。.电子元器件工作失效率模型统计转电模块所使用元器件有三极管、场效应管、二极管、电阻、电容、电感、收发芯片、电源芯片及模块等。将所有元器件按照 中应力分析法的元器件类别进行分类统计，并摘录对应的失效率模型，如逻辑门、比较器、收发芯片等芯片的失效率预计模型来自 中表的单片数字电路栏，硅 、硅 等三极管的失效率预计模型来自 中硅 、硅 、锗 、锗 等四类普通双极型晶体管都适用的公式（），以此类推，最终得到表所示电子元器件失效率模型。表电子元器件失效率模型类别工作失效率预计模型备注单片数字电路（）逻辑门、比较器、收发芯片单片模拟电路（）传感器、电源芯片微处理器（）存储器 （）、双极型晶体管硅 、硅 年第期（总第 期）桂林航天工业学院学报 柏元忠张俊杰李静 唐璐丹 唐洪贶文表（续）类别工作失效率预计模型备注场效应晶体管硅 普通二极管普通硅电压基准二极管稳压管、管光电子器件光耦、光 电阻器片式膜电阻器纸和薄膜电容 金属膜电容类瓷介电容器 贴片封装类瓷介电容器 贴片封装线圈和电感器片式线圈和片式电感器片式共模绕线电感印制板焊接点振荡器滤波器注：工作失效率；环境系数；质量系数；温度应力系数；及电路复杂度失效率；封装复杂度失效率；应力系数；阻值系数；电容量系数；串联电阻系数；表面贴装系数；额定电流系数；应用系数；复杂度系数结构系数；、基本失效率；成熟系数；电压应力系数；使用的金属化孔数。电子元器件工作失效率统计按照表所示电子元器件失效率模型，根据转电模块的工作环境及实际元器件参数，从 中相应元器件类别条目下查询相关参数的值，如逻辑门、比较器、收发芯片等单片半导体集成芯片的质量 系数可 以从 小节下 的 表中查询获取，以此类推后，即可将相关参数代入失效率模型后计算对应元器件的失效率。单片数字电路、单片模拟电路、微处理器失效率预计从表可知，某类元器件的单只失效率为。假设该元器件失效率中的相关参数在归类查询统计后也完全一致，且其数量为，则可以得到该类元器件的类总失效率 计算公式如下：（）根据式（）及其推导过程，在可靠性预计计算时，可以将失效率模型一致的元器件合并处理，如表中单片数字电路、单片模拟电路以及微处理器的失效率模型一致，可以归到一个统计表格中进行计算。此外，对于同一类元器件，在确认其失效率相关参数一致时可以不再单独列出，采用统计其数量并进行累计的方式进行计算。基于此，单片数字电路、单片模拟电路及微处理器的失效率预计见表，其中的失效率合计是对该统计表下所有的类总失效率 的累加值，即。后续、的意义即为对应统计表格中类总失效率的累加值。.瓷介电容器失效率预计从表可以看出，类瓷介电容器与类瓷介电容器的失效率模型一致，但是考虑到所用瓷介电容器的规格较多，并且 中不同规格的失效率数据不同，不便于合并处理，在此，将失效率模型一致的类瓷介电容器与类瓷介电容器使用不同的统计表格进行统计计算。年第期（总第 期）桂林航天工业学院学报 柏元忠张俊杰李静 唐璐丹 唐洪贶文表单片数字电路、单片模拟电路及微处理器的失效率预计产品名称传感器电源管理芯片 芯片逻辑门电路比较器电源模块 收发芯片 电源合计质量系数.复杂度失效率（）.温度应力系数.电压应力系数.复杂度失效率（）.封装复杂度失效率（）.环境系数 成熟度系数.数量 类总工作失效率 （）.类瓷介电容器的失效率预计见表，其中产品规格栏主要按电容容值（规格下）分类，并在电容容值分类一致（）的情况下再次按电压等级分类，如此分类的依据就是电容容值（参照 中表）与电压等级（参照 中表，电压等级影响系数）是 中影响失效率模型中基本失效率的关键因素。类瓷介电容器的失效率预计见表，由于所用类瓷介电容器全部都是 规格的，故在产品规格里没有再按电压等级进行分类。表类瓷介电容失效率预计产品规格片状电容（）片状电容（）片状电容（）片状电容（）片状电容（）片状电容（）片状电容（）合计 基本失效率（）.环境系数 质量系数.电容量系数.表面贴装系数.数量 类总工作失效率 （）.年第期（总第 期）桂林航天工业学院学报 柏元忠张俊杰李静 唐璐丹 唐洪贶文表类瓷介电容失效率预计产品规格片状电容（）片状电容（）片状电容（）片状电容（）合计 基本失效率（）.环境系数 质量系数.电容量系数.表面贴装系数.数量 类总工作失效率 （）.其他失效率预计转电模块的其他元器件失效率预计过程与及小节的情况类似，不再详细给出，后续直接引用预计结果。可靠性预计统计转电模块的总失效率为所有元器件失效率之和，与 各 失 效 率 预 计 统 计 表 格 关 联，即（，），其中为按照.及.小节所述实际拆分的元器件类别的编号。将所有元器件的失效率预计结果统计后，具体统计情况见表。表元器件可靠性预计统计表序号产品名称类型失效率合计 （）单片数字电路、单片模拟电路、微处理器 存储器 双极性晶体管 场效应晶体管 普通二极管 电压基准二极管 光电子器件 电阻器 纸和薄膜电容 类瓷介电容器 表（续）序号产品名称类型失效率合计 （）类瓷介电容器 片式线圈和片式电感器 印制板 焊接点 振荡器 滤波器 总失效率 可靠性评估根据式（）及表的统计结果可知，转电模块的总失效率为 （），而已确定的可靠度计算时间取（），则代入式（）后可以计算出转电模块的可靠度为.。此外，根据转电模块的总失效率还可以计算出另一个常用的可靠性指标 。可见，转电模块的可靠度为.，航天设计人员一般称之为个，满足要求的可靠度.，即个的指标。年第期（总第 期）桂林航天工业学院学报 柏元忠张俊杰李静 唐璐丹 唐洪贶文结束语在产品方案设计阶段，基于设计方案及元器件选型使用应力法对转电模块进行可靠性预计，并根据可靠性预计结果进行可靠性指标的评估，证明转电模块的设计方案可满足产品的可靠性指标要求，可以进行下一步研制工作。针对转电模块的可靠性预计过程及结果，对于航天等领域的武器装备来说，可以作出以下小结：）可靠性预计结果应该适用于产品的所有工况，因此可靠性预计的工作环境应选择最严苛的环境，并且在查找基本失效率数据时系数的选择应尽可能加严使用。）在失效率数据整理时，应尽可能按照类别、规格等合并同类，从而减少查询手册的工作量，简化数据统计表格，进而提高可靠性预计的效率及准确率。）对于部分查询手册时信息缺失的元器件，如逻辑门电路、电源模块等，应咨询元器件的生产厂家进行确认，或者明确使用环境后直接向厂家索要可靠性数据，确保可靠性预计的原始数据准确。）对于武器型号装备来说，可靠性要求比成本控制更重要。在可靠性满足技战术指标的前提下，可以综合考虑设计成本、管理成本、采购成本、库存压力等因素确定是否有必要降低元器件的质量等级，并且相关改动应该在产品设计定型前全部完成。参考文献刘成明 一种航天器点火控制模块的设计 电子元器件与信息技术，（）：王晓晖，陈纲固体火箭发动机电容充电式点火控制系统设计计算机测量与控制，（）：刘成明一种航天器点火控制模块的设计电子元器件与信息技术 ，（）：卢存升，陈博，曾少龙，等某型号运载火箭测量系统测试电源分析电源技术，（）：敖文翔，刘搏，余荣良，等直升机直流电源转电方法研究电子制作 （）：王志刚基于通信定位系统用模块的可靠性预计计算研究数字通信世界，（）：王建军，牟浩文，林淡，等电子产品可靠性预计手册的方法比较及案例研究计测技术，（）：崔子梓，史寅栋，冯超，等复杂机电系统可靠性预计方法探讨环境技术，（）：骆明珠，康锐，刘法旺电子产品可靠性预计方法综述电子科学技术 ，（）：，（）：，：，（）：姜东升，侯学龙，胡太彬，等 地面长期贮存卫星电源单机工作寿命可靠性建模与预计 空间电子技术，（）：蒋秦芹，文亮波 电子产品的可靠性预计分析 成都信息工程大学学报，（）：徐静侯，传涛，李志强，等 电子产品可靠性预计方法及标准研究 强度与环境，（）