摘要：筆者介紹了在華佳電器主持熒光燈用電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品可靠性工程的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。結(jié)合實(shí)際工作簡(jiǎn)要闡述可靠性設(shè)計(jì)、元器件選用、SPC、可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)等可靠性工程的主要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器 可靠性 可靠性設(shè)計(jì) 元器件選用

記得三年前我到廣州參加一個(gè)節(jié)能電感鎮(zhèn)流器推廣工作的研討會(huì)，當(dāng)時(shí)專家們普遍認(rèn)為節(jié)能電感鎮(zhèn)流器比電子鎮(zhèn)流器有發(fā)展前景，原因是電子鎮(zhèn)流器盡管有很多優(yōu)點(diǎn)，比如功率因數(shù)高，重量輕，損耗小，節(jié)能效果明顯，但是可靠性遠(yuǎn)不如電感鎮(zhèn)流器。電感鎮(zhèn)流器可達(dá)五年，可靠性高，故障少，而當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上的電子鎮(zhèn)流器壽命才半年至一年，故障多。但就在那段時(shí)間，我們?nèi)A佳電器也決定從事電子鎮(zhèn)流器的開發(fā)和生產(chǎn)，因?yàn)殡娮尤〈姼惺菄?guó)內(nèi)外大勢(shì)所趨。如何解決電子鎮(zhèn)流器的可靠性問題首先擺在我們?cè)O(shè)計(jì)人員的面前。下面談?wù)勲娮渔?zhèn)流器的可靠性設(shè)計(jì)。

一． 降額設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

所謂可靠性即產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。所謂規(guī)定的條件，主要指環(huán)境條件。從產(chǎn)品研制全過程及產(chǎn)品壽命來看，為使產(chǎn)品可靠性得以保證或增長(zhǎng)，從產(chǎn)品可靠性指標(biāo)確定、可靠性試驗(yàn)、可靠性分析無一不考慮環(huán)境應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響。在產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)中一個(gè)重要的設(shè)計(jì)措施是降額設(shè)計(jì)，其中環(huán)境溫度以及施加的電應(yīng)力是降額的主要途徑。對(duì)于半導(dǎo)體元件，如不考慮其結(jié)溫和承受溫度極限，可靠性將無法得到保證。在可靠性設(shè)計(jì)中另一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)措施是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，各種電子元器件在環(huán)境應(yīng)力變化時(shí)其特性值也在改變。表1給出了某固態(tài)電阻的阻值隨環(huán)境應(yīng)力的改變而變化的情況。這些電子元件構(gòu)成整機(jī)投入使用時(shí)，環(huán)境的改變會(huì)使整機(jī)不能穩(wěn)定工作，甚至出現(xiàn)故障。因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)改變靜態(tài)設(shè)計(jì)的思想，考慮環(huán)境因素引起的元器件性能變化，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

二． 電路的可靠性設(shè)計(jì)，包括印刷電路板（PCB）布線設(shè)計(jì)

由于可靠性是電路復(fù)雜性的函數(shù)，降低電路的復(fù)雜性可以相應(yīng)的提高電路的可靠性，所以在實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能的前提下，應(yīng)盡可能使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最大限度地減少所用元器件的類型和品種，提高元器件的復(fù)用率，這是提高電路可靠性的一種簡(jiǎn)單而常用的方法。

簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)一般使用的方法有：

1）多采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的元器件，少采用特殊的或未經(jīng)定型和考驗(yàn)的元器件。

2）在保證實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能指標(biāo)的前提下，多采用集成電路，少采用分立元器件，集成度的提高可以減少元器件之間的連線、結(jié)點(diǎn)以及封裝的數(shù)目，而這些連接點(diǎn)的可靠性常常是造成電路失效的主要原因。據(jù)資料介紹，1974年我國(guó)發(fā)射衛(wèi)星的運(yùn)載火箭因?yàn)橐桓睆綖?.25MM的導(dǎo)線斷裂，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)被引爆自毀，因此不要小看一個(gè)小小的元器件失效，哪怕是一根導(dǎo)線的斷裂，它們會(huì)使成千萬甚至上億元的投資毀于一旦，“千里之堤，潰于蟻穴”。

印刷電路板的布線設(shè)計(jì)，主要考慮以下三點(diǎn)：

1）電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)，電磁兼容性是指電子系統(tǒng)及其元部件在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效進(jìn)行工作的能力。EMC設(shè)計(jì)的目的是既能抑制各種外來的干擾，使電路在規(guī)定的電磁環(huán)境中能正常工作，同時(shí)又能減少其本身對(duì)其他設(shè)備的電磁干擾。由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要由印刷導(dǎo)線的電感部分造成的，因此，應(yīng)盡量減少印刷導(dǎo)線的電感量。印刷導(dǎo)線的電感量與其長(zhǎng)度成正比，并隨其寬度的增加而下降，故短而粗的導(dǎo)線對(duì)于抑制干擾是有利的。對(duì)于一般電路，印刷寬度選在1.5MM左右，即可完全滿足要求；對(duì)于集成電路，可選為0.2MM~1.0MM。為了抑制導(dǎo)線之間的串?dāng)_，在設(shè)計(jì)布線時(shí)應(yīng)盡量避免長(zhǎng)距離的平行走線，盡可能拉開線與線之間的距離，信號(hào)線與地線及電源線盡可能不交叉。在使用一般電路時(shí)，印制導(dǎo)線的間隔和長(zhǎng)度設(shè)計(jì)可以參考表2，在一些對(duì)干擾十分敏感的信號(hào)線之間可以設(shè)置一根接地的印制線，也可有效地抑制串?dāng)_。

另外，為了避免高頻信號(hào)通過抑制導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁輻射，在印制電路板布線時(shí)，應(yīng)盡量減少印制導(dǎo)線的不連續(xù)性，例如導(dǎo)線寬度不要突變，導(dǎo)線的拐角大于90度，避免環(huán)狀走線等。

2）接地設(shè)計(jì)

只要布局許可，印制板最好做成大平面接地方式，即印制板的一面全部用銅箔做成接地平面，則另一面作為信號(hào)布線。

3）熱設(shè)計(jì)

電子鎮(zhèn)流器的外殼內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑，也可以考慮灌注絕緣散熱膠比如黑膠達(dá)到傳熱目的。另外溫度敏感器件最好安置在溫度最低的區(qū)域，千萬不要將它放在發(fā)熱元件的正上方，發(fā)熱元件不能集中在一個(gè)地方，這樣不利于散熱。溫度每升高10℃，壽命將減少一半。

三．電子元器件的選用

電子元器件在應(yīng)用時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題及確保應(yīng)用可靠性所采取的有效措施有以下幾點(diǎn)：

1）降額使用 經(jīng)驗(yàn)表明，元器件失效的一個(gè)重要原因，是由于它工作在允許的應(yīng)力水平之上，因此為了提高元器件可靠性，延長(zhǎng)使用壽命，必須使實(shí)際使用應(yīng)力低于其規(guī)定的額定應(yīng)力。

2）熱設(shè)計(jì) 電子元器件的熱失效是由于高溫導(dǎo)致元器件的材料劣化而造成的，因此在元器件的布局、安裝等過程中，必須充分考慮到熱的因素，采取有效的熱設(shè)計(jì)

3）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)前面已經(jīng)講過，不再詳細(xì)描述。

另外，對(duì)于我們電子鎮(zhèn)流器上用的元器件，有兩個(gè)非常關(guān)鍵，選擇是否恰當(dāng)直接關(guān)系到鎮(zhèn)流器的可靠性，這里我必須著重談一談：

第一是功率晶體管，功率晶體管是做開關(guān)作用的，因此，開關(guān)晶體管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)合理與否，直接關(guān)系到晶體管的溫升程度，轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。又由于晶體管的開關(guān)參數(shù)和放大倍數(shù)還要受到溫度、電壓、電流等因素的影響，并非是一個(gè)常數(shù)。比如在低溫時(shí)，放大倍數(shù)會(huì)變小，存儲(chǔ)時(shí)間變短，如果選擇的放大倍數(shù)太小，存儲(chǔ)時(shí)間太短，則在低溫時(shí)，燈可能點(diǎn)不亮，如果選用放大倍數(shù)過大，存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)的晶體管，低溫啟動(dòng)問題解決了，但在高溫時(shí)，就可能出現(xiàn)過飽和，導(dǎo)致晶體管開關(guān)損耗大幅增加，溫升過高，導(dǎo)致晶體管損壞。事實(shí)證明，電子鎮(zhèn)流器最終失效形式幾乎都表現(xiàn)為功率晶體管燒壞，因此三極管選得好不好直接決定鎮(zhèn)流器的可靠性。

我們最初選用的是13005系列或國(guó)內(nèi)的DK55系列晶體管，為了兼顧低溫啟動(dòng)不困難和高溫不出現(xiàn)過飽和，我們對(duì)晶體管的外圍驅(qū)動(dòng)元件比如磁環(huán)，基極限流電阻及晶體管的存儲(chǔ)時(shí)間ts進(jìn)行了細(xì)致的分檔和配對(duì)使用，這對(duì)提高晶體管的可靠性起到一定作用，但是管理成本和檢驗(yàn)成本卻大大增加了。后來我們改選帶抗飽和的晶體管，取得了比較理想的效果。圖3為帶抗飽和的晶體管的電路圖，圖中NPN是主晶體管，D為續(xù)流保護(hù)二極管，PNP型晶體管作為有源抗飽和網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)NPN管飽和導(dǎo)通以后，當(dāng)基極驅(qū)動(dòng)電壓高于Vbe（PNP）+Vces（NPN）時(shí)，PNP管導(dǎo)通，將基極驅(qū)動(dòng)電流分流，使NPN晶體管不會(huì)出現(xiàn)深飽和。這樣，NPN管選用大的放大倍數(shù)，外電路元件的不一致帶來的過驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致的過飽和現(xiàn)象得到自動(dòng)抑制，改善了開關(guān)特性，提高了大批量生產(chǎn)的工藝寬容性。對(duì)解決低溫時(shí)要求驅(qū)動(dòng)過強(qiáng)，以利于燈的啟動(dòng)，高溫時(shí)不因過驅(qū)動(dòng)燒管也很有效。另經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，選用該晶體管后，晶體管工作溫度降低了20度左右，因此電子鎮(zhèn)流器選用這種晶體管后不僅降低了成本，而且提高了可靠性。

第二個(gè)關(guān)鍵元器件是電解電容壽命的選取，大家都知道電子鎮(zhèn)流器整流后都需要用一個(gè)容量比較大的電解電容進(jìn)行濾波，電解電容的容量、漏電流、損耗角將隨時(shí)間和溫度發(fā)生變化，時(shí)間越長(zhǎng)，容量將變得越來越小；使用溫度越高，漏電流、損耗角將變得越來越大，最終電解液耗盡，電解電容干枯。因此電解電容的好差直接關(guān)系到電子鎮(zhèn)流器的可靠性和壽命。目前市場(chǎng)上電解電容有105℃ 1000小時(shí)至8000小時(shí)不等。如果錯(cuò)誤選擇105℃ 1000小時(shí)的電容，則鎮(zhèn)流器其它參數(shù)設(shè)計(jì)得再好也沒用，它的壽命也只有半年到一年。因此，電解電容應(yīng)選擇漏電流和損耗角小，長(zhǎng)壽命的電容，一般選8000小時(shí)/105℃，這樣鎮(zhèn)流器才不會(huì)因?yàn)殡娙莸脑缭缡ФА?/p>

四．生產(chǎn)過程的控制

有句熟話：“產(chǎn)品的品質(zhì)是設(shè)計(jì)和制造出來的，而不是檢驗(yàn)出來的。”因此為了更有效的控制產(chǎn)品的主要失效模式，必須根據(jù)生產(chǎn)過程中各道工序?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的影響程度，設(shè)定關(guān)鍵工序的質(zhì)量和可靠性控制點(diǎn)，對(duì)其重點(diǎn)控制。我們?nèi)A佳公司按電子鎮(zhèn)流器的工藝流程，運(yùn)用SPC統(tǒng)計(jì)過程控制方法，對(duì)制造過程的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過程工藝是否出現(xiàn)了異常或偏離了正常變化范圍，確保生產(chǎn)的一致性和穩(wěn)定性。

五．對(duì)整機(jī)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)

首先按照產(chǎn)品的特點(diǎn)，建立一套完整的可靠性控制程序，然后在新產(chǎn)品試生產(chǎn)階段，進(jìn)行可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，及時(shí)調(diào)整不符合或影響產(chǎn)品可靠性的元器件，確保新產(chǎn)品達(dá)到程序要求的可靠性指標(biāo)。

我們?nèi)A佳公司程序要求取樣品100只，在40-50℃的溫度應(yīng)力及±10%額定電壓的電應(yīng)力下，按照定時(shí)截尾試驗(yàn)6號(hào)方案進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)滿足MTBF>30000小時(shí)即為試生產(chǎn)合格。在以后的批量生產(chǎn)中還會(huì)視實(shí)際情況做可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。

我們?nèi)A佳公司按照上面一些經(jīng)驗(yàn)和要求，對(duì)電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品進(jìn)行可靠性管理，取得了比較好的效果，使用壽命4-5年，幾乎與電感鎮(zhèn)流器相齊平。最后，我也真誠(chéng)的希望我們電子鎮(zhèn)流器同行都對(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行可靠性管理，共同打造好這個(gè)龐大的市場(chǎng)。