电子式控制器硬件电路可靠性设计董郁 张太利北京人民电器厂有限公司，102600摘要：本文以低压断路器的电子式控制器设计为基础，依据国军标GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的内容，分析电子式控制器的典型硬件电路的可靠性指标作为实例，并根据一般原理对提高可靠性的方法进行探讨关键词：低压断路器 电子式控制器 可靠性随着低压电器的发展，电子式控制器的应用范围越来越广泛，功能越来越丰富，使智能化可通讯的低压断路器普及程度越来越高但是，长久以来困扰配电系统设计单位及电器元件制造厂商的电子式控制器可靠性问题，对其分析和研究的程度远没有对功能性能指标的研究程度深入本文以低压断路器电子式控制器的典型硬件电路设计为基础，介绍了GJB/Z299C-2006这一标准在预计可靠性指标方面的应用，并探讨一些提高可靠性方面的方法一、可靠性预计基本方法GJB/Z299C-2006为电子设备和系统的可靠性预计提供了基本数据和方法，适用于电子设备和系统的可靠性预计，其中元器件应力分析可靠性预计法适用于产品已具有详细的元器件清单，并已确定了元器件所承受应力的设备研制阶段；元器件计数可靠性预计法适用于产品研制的初步设计阶段。
1．基本概念可靠性涉及两个主要指标，即失效率（λ）和平均故障间隔时间（MTBF），这两个参数互为倒数，即为了预计电子设备或系统的失效率，还需要确定下面几个参数：① 元器件基本失效率λb：元器件在电应力和温度应力下的失效率，通常用温度（T）和电应力比（S）对元器件影响的关系模型来表示；② 元器件工作失效率λP：元器件在应用环境下的失效率，通常由基本失效率乘以各种因素的调整系数来表示；③ 环境系数πE：不同环境类别的环境应力（除温度应力外）对元器件失效率影响的调整系数；④ 质量系数πQ：不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数；⑤ 通用失效率λG：元器件在某一环境类别中，在通用工作环境温度和常用工作应力下的失效率在元器件计数可靠性预计时使用此通用失效率2．可靠性预计程序电子设备可靠性预计的一般程序如下：① 先划分可靠性预计单元，后建立系统可靠性模型预计单元在电路功能上相对独立，其可靠性模型一般为串联结构；② 计算各预计单元内元器件的工作失效率对于采用元器件应力分析可靠性预计法的，按工作失效率模型计算其工作失效率；对于采用元器件计数可靠性预计法的，由通用失效率乘以通用质量系数，便得到某一种类元器件工作失效率的通常值；③ 将预计单元内各种类元器件的工作失效率相加，由此得出预计单元的失效率；④ 按设备、系统的可靠性模型逐级预计设备、系统的平均故障间隔时间等可靠性指标。
二、电子式控制器典型电路介绍 低压断路器的电子式控制器中，硬件电路包含众多功能模块，其中最基本的也是必备的功能模块为电流信号处理模块以万能式断路器智能控制器为例，这个模块的功能就是将由电流互感器罗氏线圈输入的微分信号进行积分还原，并完成放大、整流、滤波等处理，输出信号送入A/D转换器下图为典型的电流信号处理电路原理图，本文以此作为预计单元进行分析说明图1 典型电流信号处理电路原理图1．电路结构简述上图中，L1+、L1-为电流互感器信号的输入端由第一个运算放大器构成第一级放大电路，由第二个运算放大器构成第二级放大电路2P10.6和1P1.0分别为主、副MCU的第一级模拟信号输入端，2P10.1和1P10.7分别为主、副MCU的第二级模拟信号输入端之所以设计两级放大电路，是为了既能够保证在小电流（小信号输入）时具有较高的测量精度，又能够保证在大电流（大信号输入）时有较大的信号处理范围2.5V的虚地电平由独立基准电源产生在电子设备中，越来越多的采用单电源设计，这样在处理交流信号时，为了保证信号波形不失真，必须引入“虚地”，在完成A/D转换后，该虚地电平的影响可在单片机内由数字处理滤除第一级放大电路为差分放大电路，只对输入的差分信号进行放大，不受共模干扰的影响。
第一级放大电路的放大倍数由反馈阻抗和输入电阻决定，反馈电路中的电容主要起滞后移相的作用，以补偿由罗氏线圈带来的相位超前第二级放大电路为反相比例运算放大电路，其放大倍数由反馈电阻和输入电阻决定由于该电路放大共模信号，因此需要注意正、反相输入端的输入电阻匹配以避免输出电压零漂经过处理后的信号在输入单片机进行AD转换之前还有阻容构成的保持电路，由于该电路的阻抗值相差很大，其对信号幅值和相位的影响可忽略2．元器件列表在可靠性预计中，具体电路功能对预计单元的可靠性并无太大影响，预计单元内元器件的失效率才是影响预计单元可靠性的主要因素因此，对于图1电路的功能特性本文不做分析，仅对可靠性有影响的元器件进行分析说明电阻器明细见下表：表1a 电流信号处理电路电阻器清单阻值（Ω）封装数量位号1k060342R8、2R9、2R13、2R144.7k060322R1、2R210k060312R1110k080512R1020k060312R3105k080522R4、2R5150k080522R6、2R7200k080512R12电容器明细见下表：表1b 电流信号处理电路电容器清单容值（F）封装数量位号100p060312C310n060342C5、2C6、2C7、2C833n060312C1100nRAD-0.222C2、2C4集成电路明细见下表：表1c 电流信号处理电路集成电路清单型号封装数量位号MCP6004SOIC-141/4×22U1C、2U2D 上述元器件列表确定后，即可计算每种元器件的失效率。
由于该电路设计比较完善，工作条件也比较明确，因此适合采用元器件应力分析可靠性预计法，这样分析结果比元器件计数法更准确三、可靠性预计单元的失效率分析针对上述典型电流信号处理电路进行失效率分析，按照程序，首先应建立可靠性预计模型，其次应根据确定的预计方法计算各个元器件的失效率，然后将所有元器件的失效率相加，便得到上述电路的整体可靠性指标1．建立可靠性预计模型对于电流信号处理电路来说，任何一个元器件失效都会造成整体电路的功能和/或性能失效，并没有冗余器件或电路作为备份，该预计单元可以看作为一个串联系统，即只有在所有元器件都不失效时，该电路的功能才正常对于串联系统来说，所有元器件失效率相加即可得到预计单元的整体失效率2．计算各个元器件失效率在计算各个元器件失效率之前，需要确定第一部分中提到的几个参数，这些参数与电路的元器件选型及实际应用条件有密切的关系，是元器件失效率的重要影响因素⑴环境类别一般来说，低压断路器都会安装在专门的配电室内，温、湿度及机械振动都会有效控制在一定范围内，条件相对较好；应用于箱变的低压断路器属于无人环境，散热条件比较差，环境温度会比配电室高；而应用于风电的低压断路器，需要能够承受低温和/或盐雾环境，环境条件也比配电室差。
GJB/Z299C-2006中，与上述环境相适应的环境类别如下：一般地面固定（GF1）在普通的建筑物内或通风较好的固定机架上，受振动、冲击影响很小的环境条件，如固定雷达、通信设备和电视机、收录机等家用电器所处的环境恶劣地面固定（GF2）只有简陋气候防护设施的地面环境或地下坑道，其环境条件较恶劣，如高温、低温、温差变化大、高湿、霉菌、盐雾和化学气体等考虑到低压断路器的极限应用情况，这里采用“恶劣地面固定”环境条件⑵元器件质量等级一般而言，元器件的质量等级按照其工作温度大致分为四个等级，分别为民用级（商用级）：0~+70℃；工业级：-40~+85℃；汽车工业级：-40~+125℃；军用级：-55~+125℃除了军用级外，其他三个级别只有工作温度的区别，不再有进一步的细化分级；军用级的电子元器件，根据晶园批次、封装等工艺要求及后期筛选和检测不同，又分为几个等级，见下表：表2 国军标元器件质量分级元器件类别依据标准质量分级（从低到高）半导体分立器件GJB33A-97质量保证等级分为：JP（普军级）、JT（特军级）、JCT（超特军级）、JY（宇航级）半导体集成电路GJB597A-96质量保证等级分为：B1级、B级、S级混合集成电路GJB2438-95质量保证等级分为：H1级、H级、K级有可靠性指标的元件相应的元件总规范失效率等级分为：L（亚五级）、M（五级）、P（六级）、R（七级）、S（八级） 低压断路器主要应用于民用及工业场合，特殊应用时一般采取协议供货方式，因此，主要电子元器件采用工业级即可，其中涉及到工艺比较成熟的元器件的工作温度甚至能够达到汽车工业级。
⑶电阻失效率一般电阻器的工作失效率模型如下式：式中：λP——工作失效率，10-6/h；λb——基本失效率，10-6/h；片式膜电阻器取值0.007；πE——环境系数，恶劣地面固定条件下（下同）取值为3.2；πQ——质量系数，符合相关国标的普通工业级产品（下同）取值为1；πR——阻值系数，R≤100kΩ时取值为1，100kΩ＜R≤1MΩ时取值为1.6，R＞1MΩ时取值为2.0根据上述失效率模型，计算结果如下：阻值（kΩ）数量λP（10-6/h）N×λP（10-6/h）140.02249×0.0224=0.20164.7210220110520.035845×0.03584=0.179215022001⑷电容失效率常用滤波电容器属于2类瓷介电容器，其工作失效率模型如下式：式中：λP——工作失效率，10-6/h；λb——基本失效率，10-6/h，取55℃下承受0.3倍额定电压（下同）为0.0031；πE——环境系数，取4.6；πQ——质量系数，取1；πCV——电容量系数，C≤240pF时取值为0.5，0.0033µF＜C≤0.016µF时取值为1.0，0.016µF＜C≤0.082µF时取值为1.3；πch——表面贴装系数，片式2类瓷介电容器取值为1.5。
根据上述失效率模型，计算结果如下：容值（nF）数量λP（10-6/h）N×λP（10-6/h）0.110.0106951×0.010695=0.0106951040.021394×0.02139=0.085563310.0278071×0.027807=0.027807薄膜电容器工作失效率模型如下式：式中：λP——工作失效率，10-6/h；λb——基本失效率，10-6/h，取值为0.00336；πE——环境系数，取4.8；πQ——质量系数，取1；πCV——电容量系数， 0.047µF＜C≤0.22µF时取值为1.6；πK——种类系数，金属化聚酯薄膜电容器取值为0.3；πch——表面贴装系数，有引线薄膜电容器取值为1.0根据上述失效率模型，计算结果如下：容值（nF）数量λP（10-6/h）N×λP（10-6/h）10020.007741440.01548288 （5）集成电路失效率 预计单元中唯一使用的集成电路是集成运算放大器MCP6004，美国Microchip公司的产品该器件的是效率模型见下式：式中：λP——工作失效率，10-6/h；πE——环境系数，取4.2；πQ——质量系数，取6；C1——电路复杂度失效率，10-6/h，运放类元器件晶体管关数按小于300个计算，取值为0.0218；πT——温度应力系数，取0.644；C2——封装复杂度失效率，10-6/h，取0.00028。
根据上述失效率模型，计算结果如下：型号数量λP（10-6/h）N×λP（10-6/h）MCP60042×（1/4）0.09129120.0456456此外，Microchip网站上也提供了该元器件的失效率便于参考3．计算预计单元的整体失效率根据前文分析，典型电路实际上是一个串联模型，该预计单元的整体失效率就是上述各个元器件的失效率之和，这样就可以得到预计单元的整体失效率如下：λP总=0.56599048*10-6/h换算成平均故障间隔时间为MTBF=1/λP总=1.766814×106h≈201.69Years四、可靠性预计结果讨论虽然可靠性预计能够提供一些关于失效率和平均故障间隔时间等可靠性指标，但是数值计算的结果与实际情况可能还存在比较大的差距，不能依据计算结果来确定产品的实际可靠性指标进行可靠性预计的主要作用在于，寻找产品设计之中的薄弱环节发现并改进薄弱环节，使得产品的各个组成模块都能够具有较高的可靠性水平，产品整体的可靠性才能提高根据上述分析结果可以得出如下结论：①分立元件的失效率占整体失效率的比重比较大，在分立元件中，电阻器的总体失效率比重比较大；②每个分立元件的失效率其实并不高，可以看出，分立元件单独的失效率都小于集成电路，主要因为分立元件的数量多，造成总体失效率上升。
此外，选取“恶劣地面固定”这一环境类别，环境温度选取55℃（而非低压断路器普遍标称的环境温度-5~45℃），提高了环境的苛刻程度，这些因素都会提高相应的系数，使得失效率计算结果增大提高可靠性的手段主要有两种：一种是增加冗余模块，构成并联系统，这样只要有一个模块工作正常，系统就能工作正常，这是提高可靠性的有效办法；另一种是降低元器件的失效率，通过选型采用高质量等级的元器件，也能够降低产品的整体失效率，提高可靠性指标对于低压断路器的电子式控制器而言，小体积是发展趋势，受到空间结构限制，增加冗余电路的方法不可行；而选用高质量等级元器件，只能在关键元器件上改进，考虑到成本不能将所有元器件的等级都提高我们可以在实现同样功能、性能的电路方案中，选用结构简洁，使用元器件数量较少的方案；在不影响功能、性能前提下简化电路结构，减少非必要的元器件使用；如果可以的话，采用专用集成电路（ASIC）进行设计也是很好的解决办法参考文献：1．GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》；2．杨家铿、莫郁蔚，《电子设备可靠性预计技术的应用》，《电子质量》2000年第2期；3．《电子元器件质量等级》，武汉辉天精密工业有限公司。