Автоматизация исследований безотказности источников вторичного электропитания

Жаднов В. В.

Московский государственный институт электроники и математики

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Среди всех этапов жизненного цикла источников вторичного электропитания (ИВЭП) особую роль играет этап проектирования, на котором закладывается тот уровень надежности, который будет реализован при изготовлении и поддерживаться при эксплуатации. Кроме того, надежность относится к тем свойствам изделий, которые проявляются только при эксплуатации. Другими словами, не возможно экспериментально оценить уровень надежности без изготовления опытной партии ИВЭП и ее испытаний на надежность.

Поэтому на ранних этапах проектирования единственным способом оценки надежности ИВЭП является расчет ее показателей. Для обеспечения достоверности и воспроизводимости результатов этих расчетов стандартизованы не только методикирасчета (см. стандарт [1]), но и исходные данные(см. стандарт [2] ) .

В соответствие со стандартом [3] расчет надежности рекомендуется проводить минимум два раза:

- предварительный (по усредненным данным об интенсивностях отказов электрорадиоизделий (ЭРИ);

- окончательный (по математическим моделям интенсивностей отказов ЭРИ, учитывающих их режимы работы). Поскольку в этом случае в качестве исходных данных необходимы режимы работы ЭРИ (токи, напряжения, температуры и др.), то его проводят по данным, приведенным в картах рабочих режимов (КРР).

Что касается «предварительного» расчета, то целесообразность его проведения для ИВЭП весьма сомнительна, т. к. усредненные значения интенсивностей не гарантируют точность оценки нижнего уровня надежности, а возможность достижения требуемого уровня можно оценить путем анализа данных об аналогах.Что касается «окончательного» расчета надежности, то здесь ситуация более сложная.

Действительно, если подходить формально, то этот расчет можно проводить (и проводят!) после выпуска КРР (а, по сути, всего комплекта конструкторской документации - КД) . Такой подход может привести к тому, что расчетные значения показателей надежности окажутся ниже требуемых, а, следовательно, к необходимости внесения изменений в готовый проект. Очевидно, что в этом случае критерием выбора целесообразности внесения тех или иных изменений будет уже не их эффективность с точки зрения надежности, а минимум доработок КД.

Если принять во внимание, что расчет надежности обычно проводят специалисты служб качества (а не сами разработчики), то вполне вероятна и другая ситуация, когда от тех требуют «выдать» нужный результат. Правда, в этом случае, какой бы результат не получился, если ИВЭП должен отказать, он все равно откажет...

Чтобы избежать подобных ситуаций, необходимо перейти от «контроля» надежности к «управлению» надежностью ИВЭП, в основу которой должно быть положено непрерывное исследование надежности непосредственно разработчиками. Такое исследование вполне доступно, т.к. с одной стороны не требует особых знаний в области теории надежности, а с другой стороны современные автоматизированные системы проектных исследований (АСПИ) [4] позволяют существенно снизить их трудоемкость.

Покажем это на примере исследования показателей безотказностиБС-DC преобразователя, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1.

ИВЭП по классификации стандарта [1] относится к электронным модулям 1-го уровня (ЭМ1), для которых расчет показателей безотказности проводится на основе следующих соотношений:

- интенсивность отказов ПП рассчитывается как сумма интенсивностей отказов комплектующих элементов по формуле:

I

l = £ 1

i=1

где: Ai - интенсивность отказов i-го комплектующего элемента; I - количество комплектующих элементов в ПП .

- вероятность безотказной работы ПП рассчитывается по формуле:

P(t) = e-At ,

где: t - время работы.

Значения Ai рассчитываются по моделям, приведенных в соответствующих справочниках. Так, например, для транзистора VT1 типа IRFPC50 в справочнике [5] приведена следующая математическая модель эксплуатационной интенсивности отказов:

Л = Лбсг  Kt  к ф  Kr . Ks. K пр  K э

где: Ла.с.г. - базовая интенсивность отказов; Kt, Ks - коэффициенты, зависящие от величины температуры (электрической нагрузки); Кф - коэффициент, зависящий от функционального назначения прибора; Кг - коэффициент, зависящий от максимально-допустимой нагрузка по мощности (току); Кпр - коэффициент, зависящий от степени жесткости требований к контролю качества и правил приемки изделий; Кэ - коэффициент, зависящий от степени жесткости условий эксплуатации

Значения Ла.с.г., К;, К и Кг рассчитываются по данным о режиме работы (см. справочник [5]), т.е. Ai зависит от режимов работы ЭРИ. Поэтому прежде чем рассчитывать Ai необходимо определить электрические и тепловые режимы работы ЭРИ.

Рассчитать электрические режимы работы (токи, напряжения, мощности) можно с помощью программ моделирования электрических процессов. В качестве примера, на рисунке 2 приведена модель этого преобразователя в системе Micro-CAPv.9 [4].

Расчеты этой модели позволяют оценить работоспособность схемы (см. рисунок 3).

Рисунок 3 Micro-CAPv.9: Осциллограммы тока и напряжения на нагрузке ИВЭП

После чего можно переходить к оценке электрических режимов работы ЭРИ. На рисунке 4 приведена осциллограмма тока стока транзистора VT1.

Необходимые для расчета надежности численные значения электрических режимов работы ЭРИ можно получить с помощью автоматизированных систем формирования КРР. Однако применяемые в настоящее время системы позволяют автоматизировать лишь заполнения графы «По НТД» [б], поэтому при использовании таких систем расчет электрических режимов придется провести по методикам стандарта [7] «в ручную».

Полученные в результате расчетов мощности ЭРИ используются для моделирования тепловых режимов. Рабочие температуры ЭРИ можно рассчитать как с помощью конструкторских САПР (Altiumdesigner/Proteusи др. [4]), если они позволяют провести анализ тепловых режимов, так и специализированных АСПИ (например, подсистема АСОНИКА-ТМ [б] ) . На рисунке 5 приведено тепловое поле печатного узла, а на рисункеб - фрагмент файла-отчета подсистемы с температурами ЭРИ.

Рисунок 5 Подсистема АСОНИКА-ТМ: тепловое поле печатного узла

КАРТА ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭРИ {при стационарном т&лловом воздействии)

С ТЕМП ЕРАТУРА ЗРИ '

; Т ХОЭФ-ЕНТ 1

N ОБОЗВАЛЕЕИЕ О МАКСИМАЛЬБАР ' ТЕПЛОВОЙ ПЕРЕГРЕВ 1

. р РАСПЕТ. 1АЯ, ДОПУСТИМАЯ ' НЙГЕУЗЯР1 ЗРИ, '

ПЛ1 ЗРИ о ПО Т У, ' ЗРИ, аС !

i я аС QC ' ОТН.ЕД. !

1 А !

- 2 1 3 4 5 : 6 ; 7 :

: R4 1 1 64.63 125.00 ! 0.517 ;

2 R7 ! 1 64.01 125.00 .1 0.512 !

3 R9 ! 1 52.63 125.00 ! 0.469 !

4 М ! 1 57.15 125.00 ! 0.457 j

5 R10 ! 1 33.16 Е5.00 ! 0.390 !

6 R11 ! 1 42.04 125.00 ! 0.3Й4 !

7 D3 1 1 44.03 120.00 ! 0.367 ;

5 VT1 1 \ 1 59.51 175.00 0.340 ;

о R6 1 1 4 9.36 155.00 ! 0.322 ! J

10 Tf ! 1 25.70 Е5.00 ! 0.302 :| 1

Рисунок 6 Подсистема АСОНИКА-ТМ: фрагмент файла-отчета подсистемы

После расчетов электрических и тепловых режимов работы ЭРИ можно переходить к расчетам показателей безотказности. Эти расчеты также автоматизированы, однако, отечественных программ не так много [8] . На рисунке7 приведены результаты расчета показателей безотказности ИВЭП, выполненного с помощью системы АСОНИКА-К-СЧ [б, 9].

Рисунок7 Система АСОНИКА-К-СЧ: Результаты расчета надежности ИВЭП

В заключении следует отметить, что достигнутый к настоящему времени уровень автоматизации проектных исследований надежности импульсных ИВЭП достаточно высок. Однако один этап, а именно получение электрических режимов работы ЭРИ, даже при использовании программных средств может потребовать «ручных» расчетов.

Тем не менее, использование САПР и АСПИ позволяет провести всестороннее исследование не только схем и конструкций ИВЭП, но и их характеристик надежности, на практике реализовать информационную технологию обеспечения надежности сложных электронных средств [9], а, следовательно, повысить показатели качества и обеспечить конкурентоспособность вновь разрабатываемых и модифицируемых ИВЭП.

ЛИТЕРАТУРА

1. ОСТ 4Г 0.012.242-84. Аппаратура радиоэлектронная. Методика расчета показателей надежности.

2. РДВ 319.01.20-98. Положение о справочнике «Надежность электрорадиоизделий».

3. ГОСТ 27.301-95. Расчет надежности. Основные положения.

4. Латышев П. Н. Каталог САПР. Программы и производители. 2011-2012 (3-е изд.) . - М.: СОЛОН-

ПРЕСС, 2011. - 736 с.

5. Надежность ЭРИ ИП: Справочник. - М.: МО РФ, 2006.

6. Шалумов А.С. Кофанов Ю.Н., Жаднов В.В. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий: Том 1. / Под ред. Ю.Н. Кофанова, Н.В. Малютина, А.С. Шалумова. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 538 с.

7. РДВ 319.01.09-94 (ред. 2-2000). КСКК. Руководство по оценке правильности применения электрорадиоизделий .

8. Строганов А., Жаднов В., Полесский С. Обзор программных комплексов по расчету надежности сложных технических систем. / Компоненты и технологии: Научно-технический журнал. № 5 (70), 2007. - с. 74-81.

9. Жаднов В. В., Авдеев Д. К., Кулыгин В. Н. Информационная технология обеспечения надежности сложных электронных средств военного и специального назначения. / Компоненты и технологии, № б, 2011. - с. 168-174.