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发表人:yangshenwan 发表时间:2009/2/23 9:21:00  

 

 本栏论题: MTBF衡量电器产品可靠性指标的概念  [2490]

    MTBF,即平均无故障时间,英文全称是“Mean Time Between Failure”。是衡量一个产品(尤其是电器产品)的可靠性指标。单位为“小时”。它反映了产品的时间质量,是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。具体来说,是指相邻两次故障之间的平均工作时间,也称为平均故障间隔。它仅适用于可维修产品。同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF。磁盘阵列产品一般MTBF不能低于50000小时。
      随着伺服器的广泛应用,对伺服器的可靠性提出了更高的要求。所谓“可靠性”,就是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力;反之,产品或其一部分不能或将不能完成规定的功能是出故障。概括地说,产品故障少的就是可靠性高,产品的故障总数与寿命单位总数之比叫“故障率”(Failure rate),常用λ表示。例如正在运行中的100只硬碟,一年之内出了2次故障,则每个硬碟的故障率为0.02次/年。当产品的寿命服从指数分布时,其故障率的倒数就叫做平均故障间隔时间(Mean Time Between Failures),简称MTBF。即:
      MTBF=1/λ
      笔者最近看到一款可用于伺服器的WD Caviar RE2 7200 RPM 硬碟,MTBF 高达 120万小时,保修 5年。120万小时约为137年,并不是说该种硬碟每只均能工作137年不出故障。由MTBF=1/λ可知λ=1/MTBF=1/137年,即该硬碟的平均年故障率约为0.7%,一年内,平均1000只硬碟有7只会出故障。
      上图所示为著名的“浴盆”曲线,左边斜线部分为早期故障率,其故障率一般较高且随着时间推移很快下降。曲线中部为使用寿命期,其故障率一般很低且基本固定。最右部为耗损期,失效率急速升高。电子产品制造商一般通过测试、老炼、筛选等手段将早期故障尽量剔除,然后提供给客户使用。当使用寿命期将尽,产品也即将进入故障高发期,需要报废或更新换代了。
      温度与器件的寿命
      明白了MTBF和“浴盆”曲线的基本概念,我们对评估产品的使用寿命有了一定的掌握。在合适工作条件下器件使用寿命期内的故障率很低。广大电子爱好者都知道电子元器件的寿命,与工作温度是有密切关系的。以电脑主板上常用的也常出故障的电解电容器为例,其寿命会受到温度的影响。因此,应尽可能使电容器在较低的温度之下工作,如果电容器的实际工作温度超过了其规格范围,不仅其寿命会缩短,而且电容器会受到严重的损毁(例如电解液泄漏)。因此,在分析电脑主板上电容器的工作温度时,不仅要考虑机箱内整体环境温度及电容器自身的发热,还要考虑机箱内其他发热元件的热辐射(特别是CPU、稳压器、电源供应器等)。
      根据测试,通常2.0G的CPU消耗功率达56.7W,生成温度达70℃;而当频率提高至3.0G时, CPU温度往往超过90℃。在这样的高温烘烤下,主板上的电容器寿命会发生什么变化?
      为简化起见,不考虑纹波、频率、ESR等因素,电容器的估计寿命可用下述公式表示:
      其中,L0表示最高工作温度下的寿命,Tmax表示最高工作温度,Ta表示实际环境温度。由此可见,如果环境温度每升高10℃,电容器寿命将下降一倍!
      由上图右面的曲线可明显看出,随着电容器工作环境温度的上升,其有效寿命急剧缩短。其中有效寿命(Useful life)是指该种电容器达到给定故障率的时间。
      温度与电脑的可靠性
      电源供应器对电脑来说,重要性不言而喻。影响电源供应器寿命的因素很多,如负载大小、振动和周边的环境温度等。其中,环境温度很重要,所以选择合适的风扇,排放出由电源供应器内部的热量非常关键。电源供应器的MTBF,在很大程度上是由其内部的电解电容器MTBF值所决定的。因随着温度的上升,电容器的寿命急剧缩短,所以电源供应器的工作温度如能得到降低,其寿命就会更长一些。
      当评价电源供应器所标称寿命时,电源供应器是否运行在额定的满负载状况是另一重要考虑因素。如果电源供应器装有合适的散热器而散热风扇风量足够大,在低于满负载的情况下连续工作,电源供应器就能有更长的寿命。一般电脑电源供应器寿命按照3-5年计算元件的可能失效周期,MTBF在80,000-100,000小时之间。
      不同的电源供应器厂家,其产品设计、用料也往往差别很大,工作寿命自然不同。在DIY 1U伺服器时,优质的电源供应器选择不多,台湾新巨Zippy 是一个不错的选择。中国内地一些名牌伺服器例如著名的曙光也采用该品牌电源供应器,在一些DIY市场可购到的P1H-6400P 400W电源供应器,随着双核心CPU推出,400W电源供应器可能不够用,推介使用H1H-6507P 、M1G-6500P 500W。
      如上图所示,HG2-6400P采用了主动PFC,虽然增加了成本,但具有更高的效率,能够在90V-260V的任何电压环境下稳定工作。该电源供应器大量部采用稳定性和寿命是普通电容器的3倍以上的日本电容器。在一些劣质的电源供应器产品中,EMI电路往往是重点的省略对象。从这款HG2-6400P的EMI电路上可以看出,用料十分充足,符合电磁兼容标准,稳定的表现当然是情理之中。
      除电源供应器外,硬碟的温度也不可小视。现在

以下是关于《MTBF衡量电器产品可靠性指标的概念》论题的回复(共2篇)

回复人:testeck 

 回复时间:2009/8/24 18:13:00

支持(307) | 反对(678)

 

    不错,笔者的经验较为丰富,有机会可多交流,我公司是做温度传感器的http://www.testeck.com

回复人:xufenghu 

 回复时间:2010/10/15 11:19:00

支持(383) | 反对(408)

 

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