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盘点电子产品中的短命鬼(上篇

点击数:2018-05-16 22:09 来源:未知

  无论你是做研发的工程师,还是管理的项目经理,做销售的市场代表,都希望了解自己公司产品的真实寿命,而不是听研发工程师的天花乱坠的一面之词。

  根据著名的木桶理论,电子产品的寿命不是有最长的元件决定,而是由其最短命的元器件决定的,现在我们就盘点一下电子产品中的短命鬼,以及这些短命鬼的寿命估算方法。因为电子元件的寿命受很多因素的影响,每一个厂家给出的寿命已经估算的寿命方法不一致,很难有一个统一的标准,本文中的电子元件的寿命的估算,是以电子行业内综合排名前十的厂家的估算方法,例如,纽扣电池的寿命估算,就是那松下的厂家的估算方法。以下是今天准备盘点的短命鬼:

  大容量电容在所有的电子元器件中属于寿命最短的元件之一,以某一款电解电容为例,如果环境温度在30℃以下,电解电容器的使用寿命可长达10年以上;而当周围温度为50℃时,使用寿命只有2.5年。大容量的电容一般分为铝固体聚合物导体电容和铝电解液电容,参考罗姆电子的两种大容量电容的寿命计算公式:

  假设一颗最高工作温度为125度的铝固体聚合物导体电容,在85度下工作,那么它的寿命,通过计算我们可以得出L2=1000x10的2次方=100000小时,也就是说大约能工作11年左右。

  假设一颗最高工作温度为125度的铝电解液电容,在85度下工作,那么它的寿命,通过计算我们可以得出L2=1000x2的4次方=16000小时,也就是说大约只有不到2年。

  由上图可知,温度对铝固体聚合物导体电容寿命影响的幅度还要更大,但由于其寿命基数大,所以绝对寿命要远超过铝电解液电容。

  超级电容也是电子产品的短命鬼中的一员,且超级电容同时受温度、电压、电流等因素影响。每个电容的厂家都有一个估算寿命的经验值,例如下图2是松下超级电容的寿命估算公式,其寿命定义为:电容容量减少30%,内阻比初始值大4倍,但是这并不代表此时超级电容无法使用,对于一般的容量要求和内阻要求不高,例如掉电后备电源等,还是可以继续使用的。

  图3是国内某厂家的超级电容的估算公式,厂家同时考虑了温度和电压对寿命的影响,估算还是比较靠谱的。例如最高使用温度70℃,额定寿命1000H,额定电压2.7V,实际使用温度为50℃,实际工作电压2.5V时,其寿命为:10562H,大约为1.2年。

  光耦的寿命厂家的规格书一般都没有给出来,但是设计者对于光电耦合器的工作寿命还是有所疑虑,原因是LED的光输出功率会随着时间减低,光功率的降低则可能会引起光电耦合器错误工作和可靠性问题。我们参考著名的光耦厂家AVago 对于光耦的寿命的估算方法。厂家以估算LED寿命为参考:

  方程 (2)以AF作为乘数,考虑使用一个Avago光电耦合器压力数据条件作为数值范例:顺向电流IF=20mA,温度125oC,LED为AA类型,于1,000小时压力测试时间测得的CTR劣化为99.2%,如果光电耦合器的应用条件为IF=5mA (假设100%占空比工作),环境温度为60oC,AF可以计算为:

  LED的预估现场工作寿命为 AF × 压力测试小时数 = 184.7 × 1,000 = 184,767 小时,约等于21年,此为劣化至99.2% CTR的AA类型LED预估现场工作时间,通过计算出AF值,所有压力测试数据点都可以映射到LED的预期现场工作寿命。

  我们在看厂家给出的下图的寿命影响曲线,从曲线可以看出,一般说来,最大化LED工作寿命时有三个基本考虑因素:

  综上所示,把光耦放到短命鬼的阵列实在是冤枉他,活个二三十年没有问题,相对于其他元器件短短的几千小时,这货就是电子元件中的王八,各位设计者可以放心地用。

  电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)释放。这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。可见,继电器内部存在的机械运动,是制约其寿命的主要因素,衡量继电器的寿命有两个参数,一:机械寿命;二:电气寿命。

  机械寿命:指不向继电器通电,向操作线圈加线圈电压,是其依规定的机械性最大工作频率工作室的动作次数。

  上述两个寿命的指标主要区别就是是否接负载。这两个参数一般规格书中会给出来,例如,以松下的DSP1A12 继电器为例,机械寿命为5x10^7 次,电气寿命为10^5.

  但是上述的寿命评估都是在额定电压、额定负载的情况下评估的,实际我们在设计过程,还要参考厂家给出的另外两个寿命曲线,左图是交流应用时的曲线图,继电器的寿命和电流负载、功率因数有关。有图是直流应用是的寿命曲线图,寿命和电流负载、负载时阻性还是感性负载有关。实际设计中,我们应该还要做0.7的系数的降额比较保险。例如假设我们的产品寿命要求3年,额定负载是DC24V/1A, 设备1分钟通断一次。根据寿命曲线x 10^4x0.7=700000次,折算寿命为1.3年,上述的继电器就无法满足我们的设计寿命。

  纽扣电池的应用非常广泛, RTC电路、掉电备份等,基本上所有的稍微复杂一点的系统都会用到它,它也是电子产品中的短命鬼之一。我们以松下的一款纽扣电池来说明。纽扣电池的一般应用原理图如下图6,其中,B是纽扣电池,R是限流电阻,该电阻的存在一般是为了防止回路短路、高电压冲击等,数值一般以K为单位。D1、D2是二极管,构成了正常上电时由电源供电,掉电时有电池供电。

  根据松下提供的设计指导,纽扣电池和一般的电子元件计算寿命还不一样,其核心就是选择二极管和电池容量。过程如下:

  2) 规格书中要求,二极管的泄露电流和反向电流消耗的功率不能大于 电池总用量的3%。所以电池容量需要:219mAH*(1+0.03)=226mAH;

  3) 规格书中提到,每年电池容量自然消耗约占总容量的0.5%,则5年至少需要2.5%,所以电池容量需要:226mAH*(1+2.5%)=232mAH;

  4) 考虑到温度、湿度等其他环境条件,电池一般需要降额0.7使用,所以电池容量需要:232mAH/0.7=331.5mAH;所以,纽扣电池容量至少要331.5mAH才能保证5年的使用。可以选用500mAH的电池。

  5) 再计算二极管的泄露电流和反向电流:500mAH*3%/(5Y*365D*24*0.5)=0.68uA,也就是二极管的泄露电流和反向电流总和不能超过0.68uA。

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