О надежности источников вторичного электропитания ап- паратуры специального назначения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Обозначим ВГ”’б множество всех наборов из Хп, у которых значение компонент с номерами i ..., i фиксировано и равно а ..., а соответственно. При любом фиксированном

т-хi,...,is

наборе (ij, ..., i5} система множеств {B б , (а;, ., as) е Xs} образует множество блоков разбиения множества Хп, обозначим это разбиение

R(iv ., is).

Пусть T (s, п) - множество треугольноступенчатых преобразований, у которых первые s координатных функций зависят от x ., x

Утверждение 2. Подстановка g множества Хп принадлежит TA(s, п) тогда и только тогда, когда g является R(l, ., s)-конгруэнтной.

Библиографический список

1. Биркгоф Г. Теория решеток / Г. Биркгоф. - М.: Наука, 1984. - 567 с.

2. Фомичев В.М. Дискретная математика и криптология / В.М. Фомичев.. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ. - 2003. - 400 с.

3. Фомич ев В.М. Исследование признаков в конечных группах и в группах подстановок // Математические вопросы кибернетики. Вып.14: Сборник статей / Под ред. О.Б. Лупа-нова / В.М. Фомичев. - М.: Физматлит, 2005. - С. 161-260.

О НАДЕЖНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ АППАРАТУРЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В.Г. ДОМРАЧЕВ, проф. каф. электроники и микропроцессорной техники МГУЛ, д-р техн. наук,

В.М. ИСАЕВ, ст. науч. сотр., начальник управления ГУП «22 ЦНИИИ Минобороны России», д-р техн. наук

Источники вторичного электропитания (ИЭП) относятся к важнейшим компонентам обеспечивающей части радиоэлектронных средств, в том числе систем управления всевозможных объектов, и в значительной мере определяют их массогабаритные показатели, энергопотребление, эффективность функционирования, надежность и время готовности к работе. Они предназначены для электропитания функциональных узлов и блоков аппаратуры с заданными параметрами и уровнем качества электрической энергии (КЭЭ).

Процессы интеграции функций, выполняемых ранее отдельными дискретными элементами (трансформаторами, дросселями, изделиями активной и пассивной электроники, стабилизаторами и т.п.) в схемах вторичного электропитания, а также внедрение модульных принципов конструирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) привели к тому, что в 70-х годах прошлого века ИЭП стали фактически новым классом комплектующих изделий (электронных модулей электропитания). Основными отличительными особенностями современных ИЭП являются:

- однотипность выполняемых функциональных задач во всех видах радиоэлектронных средств (преобразование электрической энергии, стабилизация выходных напряжений, защита аппаратуры от электрических перегрузок, помехоподавление, гальваническая развязка входных и выходных цепей и др.);

- широкое применение типовых схемотехнических решений, а также унифицированной

элементной базы при создании требуемой номенклатуры этих изделий;

- возможность модульного построения и унификации габаритноустановочных размеров ИЭП, что позволяет упростить вопросы взаимозаменяемости в процессе эксплуатации.

Перечисленные особенности определили возможность развития ИЭП в качестве самостоятельного класса комплектующих изделий РЭА, на основе которых строятся разнообразные системы вторичного электропитания применительно к разрабатываемым объектам.

Введение в действие нового поколения комплексов государственных стандартов (КГС) «Климат-7» и «Мороз-6» заставляет пересмотреть свои взгляды разработчиков РЭА и поставщиков комплектующих модулей и элементов (в частности ИЭП) на вопросы задания и подтверждения требований по надежности. При этом задачи обеспечения требуемого уровня надежности ИЭП специального назначения необходимо решать параллельно с проведением работ по улучшению удельных характеристик этих изделий.

Широкое внедрение в практику создания РЭА стандартных электронных модулей, к которым в полной мере относятся модули ИЭП (причем межвидового назначения), приводит к необходимости ускорить процесс создания нормативной базы, регламентирующей требования и методы оценки соответствия требованиям к модулям на всех этапах жизненного цикла (от разработки до утилизации). Важнейшим моментом в этом процессе является обоснованное задание требований к надежности и

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007

167

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

стойкости и обеспечение достоверной оценки соответствия установленным требованиям.

Разработка ИЭП с высокими техническими и эксплутационными характеристиками, удовлетворяющих требованиям надежности, регламентированным государственными стандартами,

- весьма сложная задача. Небольшой объем ИЭП влияет на теплоемкость и создает проблему отвода тепла, от которого впрямую зависит надежность комплектующих элементов ИЭП и модуля питания в целом.

Достижение высоких технико-экономических показателей ИЭП возможно при наличии соответствующей номенклатуры комплектующих электрорадиоизделий (ЭРИ) и гармонизированной с ними технологии производства аппаратуры. Однако современный этап развития РЭА вообще и ИЭП в частности характерен тем, что даже если ЭРИ в отдельности будут обладать превосходными функциональными характеристиками, то это еще не является гарантией обеспечения высоких технических показателей и надежности устройств, созданных на их основе. Причиной такого положения является возрастающее взаимовлияние конструктивных, функциональных и технологических параметров друг на друга при их совместном использовании, из чего вытекает необходимость формирования требований к ИЭП и ЭРИ с единых позиций [1].

Всю совокупность ЭРИ, используемых в ИЭП, можно разделить на четыре группы. К первой следует отнести силовые полупроводниковые приборы - транзисторы, диоды; ко второй

- энергонакапливающие компоненты: дроссели, конденсаторы (к этой группе изделий можно условно отнести и трансформаторы по сходству решаемых проблем по номенклатуре дросселей); к третьей - функционально насыщенные схемы управления; к четвертой - резисторы, слаботочные полупроводниковые приборы и прочие элементы, не определяющие облик ИЭП.

Каждой из названных групп присущи как общие требования, так и частные.

Удельные энергетические показатели и показатели надежности ИЭП в большей степени зависят от общих требований, так как их полное согласование приводит к резкому снижению возможности обеспечения избыточности по массогабаритным показателям.

К основным требованиям общего характера можно отнести:

- необходимость повышения частотных свойств всех элементов, последовательно включенных в тракт преобразования и передачи мощности. Не имеет смысла снижать значения времени включения и выключения силового транзистора до 10-30 нсек, если магнитопровод трансформатора и дросселя не может работать на частотах более 100 кГц;

- повышение предельно допустимых температур нагрева ЭРИ до 125 °С или 150 °С. Это требование вытекает не только из условий эксплуатации, но и технологии групповой сборки;

- согласование габаритных размеров, особенно по высоте. Высота стандартного модуля питания менее 10 мм позволяет реализовать распределение системы вторичного электропитания, так как согласно особенностям построения базовых несущих конструкций (БНК) аппаратуры в этом случае может быть использован размерный шаг 12 мм;

- допустимость для групп ЭРИ единого метода влагозащиты, например, покрытие лаком;

- единые требования по спецвоздействиям;

- гарантированная гамма-процентная наработка в номинальных режимах не менее 100 тыс. час.

Согласованные конструктивные характеристики разнородных элементов при использовании групповой технологии монтажа на поверхность позволяют практически реализовать предельное значение коэффициента использования площади основания 0,75-0,8. Дальнейшее повышение плотности упаковки ЭРИ в ИЭП ограничиваются температурными режимами их применения.

С учетом этих требований обоснован процесс формирования требований по надежности ИЭП как сложных комплексированных устройств, состоящих из различных комплектующих ЭРИ [2].

По конструкции исполнению ИЭП могут выполняться в виде модулей 0, 1, 2 и 3 уровня разукрупнения. По «идеологии» построения модули ИЭП 0-го уровня являются невосстанавливаемыми изделиями и в части требований (особенно по надежности) относятся к ЭРИ, на которые распространяются требования КГС «Климат-7». ИЭП, выполненные в виде модулей 1, 2 и 3 уровней, ближе к функциональным частям РЭА, на которые распространяются требования КГС «Мороз-6».

168

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Т = 100000-300000 ч (14 %)

Рис. 1. Потребно сти ИЭП с непрерывным (или с перерывами) длительным характером функционирования в РЭА в зависимости от наработки до отказа Т (на отказ)

P(t) = 0,9995 (12,5 %) P(t) = 0,9 (25 %)

P(t) = 0,999 (25 %) P(t) = 0,99 (37,5 %)

Рис. 2. Потребности ИЭП однократного применения в РЭА в зависимости от вероятности безотказной работы P(t) в течение заданного промежутка времени

Результаты анализа требований к надежности ИЭП специального назначения, необходимых для комплектования наземной стационарной и подвижной техники, бортовой морской, авиационной и ракетно-космической техники, представлены на рис. 1, 2.

Необходимо отметить, что для комплектующих элементов принят экспоненциальный закон распределения времени наработки до отказа. Согласно [3] в случае отклонения вида закона в сторону от экспоненциального при большом числе комплектующих элементов (что имеет место при создании ИЭП) общее распределение времени наработки до отказа будет близко к экспоненциальному. Поэтому с большой достоверностью можно принять закон распределения времени наработки до отказа комплектующих элементов и ИЭП в целом близким к экспоненциальному.

При экспоненциальном распределении времени наработки до отказа комплектующих элементов ИЭП интенсивность отказов источни-

ков электропитания в соответствии с [4] определяется как

Л = £ Л(0

ZZ l(fA(j)=ZZ l(j)k6(j )П ks (j), (1)

i=1 i=1 j=1 i=1 j=1 s=1

где Л(,) - интенсивность отказов i-го блока (выпрямителя, фильтра, регулирующего элемента, трансформаторного узла и т. п.) ИЭП;

X... - интенсивность отказов компонента 7-го

j J

типа, применяемого в ИЭП;

- базовая (базовая среднегрупповая) интенсивность отказов компонента j-го типа;

l,,(i) - количество компонентов 7-го типа в i-м

(7) J

блоке;

к^1) - коэффиценты (s = 1,..., r), учитывающие условия эксплуатации и режимы применения, качество изготовления, вид приемки и т. п. компонентов j-го типа в i-м блоке.

Модели расчета X(j) приведены в [5]. Основными из них для комплектующих ИЭП элементов являются следующие.

Для микросхем интегральных полупроводниковых аналоговых и интегральных гибридных

х = XKrTK kkk к ,

о П корп V э пр ис

где KCT - коэффициент, учитывающий сложность интегральных схем и температуру окружающей среды;

Ккорп - коэффициент, учитывающий тип корпуса;

KV - коэффициент, учитывающий максимальное значение напряжения питания;

K - коэффициент, учитывающий степень жесткости условий эксплуатации;

Кпр - коэффициент, учитывающий степень жесткости требований к контролю качества и правила приемки изделий;

Кис - коэффициент, учитывающий степень освоенности технологического процесса. Для изделий военного назначения Кис = 1; Коэффициент KCT рассчитывается как KCT = AexpB(t + 273),

где A и B - постоянные коэффициенты модели; t - температура окружающей среды, °С. Для диодов и диодных сборок X = XKKKKK ,

где Kp - коэффициент, учитывающий электрическую нагрузку и температуру окружающей среды или корпуса;

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007

169

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Кф - коэффициент, учитывающий функциональное назначение прибора;

KSI - коэффициент, учитывающий величину рабочего напряжения относительно максимально допустимого по техническим условиям.

Для стабилизаторов, ограничителей напряжения и тиристоров

X = XKKK .

о p э пр

Для транзисторов биполярных и транзисторных сборок

X = хккккк .

о p ф Ы э пр

Для транзисторов полевых X = XK К,К К .

о p ф э пр

Коэффициент Кр определяется как

Кр = А • exp

NT

273 +1 + (175 -1 ) +

v пер. макс-'

t -1

+AtK ( пеР.макс сниж )

“ 150 _

x

x exp

273 +1 + (150 -1 ) + '

v пер. макс'

t -1

+ AtK ( пер.макс сниж )

эл 125_________________

Т„,

где A, Nm,TM , L, At - постоянные модели;

t - температура окружающей среды;

Кэл - отношение рабочей электрической нагрузки к максимально допустимой при температуре, равной t ;

j" Jr ~г сниж7

t - максимальная температура окружающей среды, для которой при 100 % электрической нагрузке температура перехода не превышает максимально допустимую t.

пер. макс

Для микросхем оптоэлектронных X = XKK .

о э пр

Для резисторов постоянных:

X = XKKKK ,

где KR - коэффициент, характеризующий величину номинального сопротивления для отдельных групп резисторов.

Коэффициент К определяется как Kp = AexpB((t + 273) / N)G х

xexpV / PNMt + 273) / 273)Т,

где A, B, G, J, H, N N - постоянные коэффициенты модели;

t - температура окружающей среды, °С;

P - рабочая мощность рассеяния резисторов, Вт;

PH - номинальная мощность рассеяния резисторов, Вт.

Для керамических конденсаторов постоянной емкости, оксидно-электролитических конденсаторов, конденсаторов с органическим синтетическим диэлектриком

X = XKKKK ,

где Кс - коэффициент, учитывающий величину номинальной емкости.

Коэффициент К определяется как Кр = A[(U/ UhN)h + 1] ■ expB((t + 273) / N), где A, B, G, H, Nt N - постоянные коэффициенты модели;

t - температура окружающей среды, 0С;

U - рабочее напряжение, Вт;

UH - номинальное напряжение, В.

Для трансформаторов X=XKKK,

о T э пр

где Кт - коэффициент, характеризующий максимально допустимое значение температуры по ТУ, который рассчитывается как Кт = Aexp((tM + 273) / Tm)g, где tM - температура максимально нагретой точки обмотки транзистора;

A, G, TM - постоянные коэффициенты модели.

Для дросселей

X = XKKK .

о p э пр

Для силовых полупроводниковых прибо-

ров

X =

где KK - коэффициент, учитывающий уровень качества прибора.

Коэффициент К определяется как Kp = ККи

где Kt - коэффициент, учитывающий температуру перехода;

Ки - коэффициент загрузки по напряжению.

При этом

К = expH£ / К)(1 / ^ - 1 / 298)], где Еа = 0,5 эВ; К = 8,625-10 5 эВ/град;

tnep - температура перехода в процессе эксплуатации, K.

К = (U / U )1,5,

и 4 рао .макс' 7

где Upa6 - значение максимального рабочего повторяющегося напряжения в схеме применения, В;

Uмас - максимально допустимое напряжение данного типа прибора, В.

Представленные выражения позволяют оценить надежность ИЭП в целом и рассчитать

170

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

значение интенсивности отказов (формула 1), по которой вычисляется среднее время наработки до отказа.

T = 1 / Л.

Учитывая, что наиболее применяемыми в современной РЭА специального назначения являются неремонтируемые стандартные модули питания (МП), поставляемые специализированными предприятиями, в качестве показателей надежности для них предложены и обоснованы следующие [6]:

- гамма-процентная наработка до отказа Тy (наработка в течение которой отказ МП не возникает с вероятностью у, выраженной в процентах);

- гамма-процентный срок сохраняемости Т^ (срок сохраняемости, достигаемый МП с заданной вероятностью у, выраженной в процентах);

- назначенный срок службы до списания Тслнсп (календарная продолжительность эксплуатации, при достижении которой эксплуатация МП должна быть прекращена независимо от его технического состояния).

Исходя из современных требований аппаратуры к ИЭП (рис. 1), значение Т выбирается их ряда 20 000, 25 000,...., 150 000, 200 000 ч. При этом значение у с учетом сложности построения ИЭП и разнообразия используемых в их основе комплектующих элементов и материалов желательно иметь не менее 97,5 %.

Значение гамма-процентного срока сохраняемости при у < 97,5 % при хранении в упаковке изготовителя в условиях отапливаемых хранилищ, а также вмонтированных в защищенную аппаратуру или находящихся в защищенном комплекте ЗИП выбирают из ряда 15, 20, 25 лет.

Значение назначенного срока службы до списания Т устанавливается исходя из ряда 15, 20, 25, 30, 35 лет.

При этом указанные достаточно жесткие требования к надежности ИЭП должны обеспечиваться в условиях реального воздействия на них комплекса различных внешних и внутренних факторов, а также показателей КЭЭ на входе. Отклонения напряжения от заданного уровня,

импульсы напряжений, искажение формы кривой напряжения и т.п. отрицательно влияют на эффективность работы комплектующих элементов и узлов ИЭП, а также их надежность.

В связи с этим для формирования требований к техническим и эксплуатационным характеристикам ИЭП РЭА необходимо проведение исследований степени влияния КЭЭ на функциональные возможности и особенности работы отдельных узлов источников и работоспособность ИЭП в целом. Частично результаты таких исследований представлены в [7].

Математическое моделирование переходных процессов в узлах ИЭП и определение функциональных и надежностных характеристик источников при изменении КЭЭ питающего напряжения связано со значительным объемом вычислительных работ.

Кроме того, различная схемотехническая реализация ИЭП приводит к необходимости разработки сложной математической модели электромагнитных процессов для каждого конкретного образца. Поэтому оценка влияния КЭЭ на выходные параметры и надежность ИЭП должна проводиться с учетом результатов экспериментальных исследований.

Библиографический список

1. Костиков, В.Г. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование / В.Г. Костиков, Е.М. Парфенов, В.А. Шахнов. - М.: Радио и связь, 1998. - 344 с.

2. Домрачев, В.Г Надежность электронной компонентной базы микропроцессорной техники: учебно-методическое пособие / В.Г. Домрачев, В.М. Исаев, В.М. Суслов. - М.: МГУЛ, 2003. - 68 с.

3. Капур, К. Надежность и проектирование систем: пер. с англ. / К. Капур, Л. Ламберсон; под общ. ред. И.А. Ушакова. - М.: Мир, 1980. - 604 с.

4. Надежность технических систем: справочник / И.А. Ушаков. - М.: Радио и связь, 1985. - 606 с.

5. Надежность электрорадиоизделий: справочник / А.А. Борисов. - М.: МО, 2004. - 623 с.

6. Исаев, В.М. Современные требования к надежности источников вторичного электропитания специального назначения / В.М. Исаев // Электропитание. - 2002. - Вып. 4 - С. 5-9.

7. Исаев, В.М. Исследование влияния качества электрической энергии на эффективность функционирования радиоэлектронных средств / В.М. Исаев, В.А. Орлов // Экономика и производство. - 2000. - № 8. - С. 21-23.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007

171