порядке обсуждения
УДК 621.3.038:62-192
К ПРОБЛЕМЕ РЕТРОСПЕКТИВНОГО АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
С. В. Васьковский, В. П. Морозов
Исследованы причины одного вида параметрических отказов в источнике питания небольших автоматических телефонных станций за время длительной непрерывной работы.
Ключевые слова: деградация параметров, старение компонентов, паразитная генерация.
Надежность электронной аппаратуры всегда находилась и находится в центре внимания разработчиков. На этапе проектирования расчеты надежности любых устройств базируются на данных об интенсивности отказов входящих в них элементов, определяемой обычно по результатам ускоренных испытаний. Последние, однако, не всегда обеспечивают требуемую достоверность данных. Что же касается длительных испытаний, то в электронике они требуют особенно больших затрат ввиду колоссальной номенклатуры изделий и потому для большинства элементов, как правило, не проводятся. Редкое исключение составляют, пожалуй, многолетние испытания на срок службы микросхем ТТЬ логики [1]. Но в связи с быстрым обновлением элементной базы результаты длительных испытаний трудно использовать в проектировании, поскольку к моменту их окончания технологии изготовления существенно меняются. Кроме того, надежность элементов в составе аппаратуры может существенно отличаться от таковой при испытаниях ввиду взаимовлияний отказов множества элементов и непредсказуемого сочетания внешних воздействий. В итоге, прогнозирование реального срока службы сложного устройства становится затруднительным. Поэтому для разработчиков может представить интерес ретроспективный анализ видов и интенсивности отказов отдельных узлов сложной электронной аппаратуры при ее длительной эксплуатации как целого [2]. Удобным объектом такого анализа служит телекоммуникационное оборудование, для которого характерны комплексный состав, непрерывное функционирование, а также повышенные требования к надежности и сроку службы.
В частности, широкие возможности для сбора данных об отказах дают непрерывно эксплуатируемые в течение многих лет учрежденчес-
кие автоматические телефонные станции (УАТС), поскольку они содержат довольно развитые средства для обнаружения неисправностей основного и сопряженного оборудования, а также для выдачи соответствующей информации обслуживающему персоналу.
Технические условия (ТУ) на УАТС [2] предъявляют жесткие требования к надежности, сроку службы и минимизации простоя оборудования. Станция должна работать круглосуточно, 24 часа. Время восстановления не должно превышать 15 мин для отказов любого типа кроме перерывов электропитания, а номинальный срок службы для некоторых видов УАТС достигает 25 лет при условии использования ЗИП в объемах, соответствующих предусмотренным нормам повреждаемости оборудования. Требуемое время наработки составляет не менее 10 000 ч на отказ типа 1 и не менее 100 000 ч на отказ типа 2.
Критериями отказа типа 1 являются: превышение потерь по техническим причинам более чем на 10 % от установленных норм, длительностью более 10 мин по любому виду связи или для группы абонентов, составляющих более 10 % емкости станции; отказ длительностью от 2 до 5 мин из-за ошибок программного обеспечения, если это вызвало простой менее 50 % пропускной способности станции, а восстановление работоспособности произошло без вмешательства обслуживающего персонала.
Критерии отказа типа 2 — прерывание всех соединений на станции; невозможность установить соединение в течение пяти минут и более; потеря более 50 % пропускной способности станции длительностью более пяти минут; необходимость вмешательства обслуживающего персонала для восстановления работоспособности системы. При этом коэффициент полного простоя УАТС не должен превышать 0,57 х 10 , что
соответствует суммарному простою 2 ч за 40 лет, а среднестатистическая вероятность отказа в обслуживании вызовов из-за неисправности оборудования станции или программной ошибки не должна быть более 10 4. Таким образом, УАТС могут быть отнесены к аппаратуре с длительным сроком эксплуатации. На примере одного из типов УАТС рассмотрим, что показывают результаты регистрации отказов за длительное время.
УАТС STAREX IMS фирмы LG (Южная Корея) [3, 4] на ряде объектов ведомственной сети Федеральной таможенной службы России используются с 1995 г. Их высокую надежность при длительной эксплуатации должно обеспечивать резервирование всех основных подсистем, включая модули процессоров. Особое внимание уделено блокам питания. Питание в упомянутых УАТС осуществляется от преобразователей постоянного напряжения (ППН), снабженных большим числом защит. В этих съемных блоках, соединяемых с основной аппаратурой с помощью ламельных разъемов, выпрямленное напряжение 48 В преобразуется в стабилизированные постоянные напряжения +5 и —5 В. Охлаждение блоков осуществляется без принудительной вентиляции. Отметим, что в УАТС, питаемых от сети 220 В через ППН с напряжением 48 В, бесперебойность питания в течение 6—8 ч [4] при сбоях в электроснабжении обеспечивается с помощью аккумуляторных батарей,
За время непрерывной эксплуатации, начиная с 1995 г., в рассматриваемых УАТС не было отказов процессорной части, однако регистрировались нарушения связи (отказы типа 2) на нескольких объектах, вызванные самовозбуждением ППН, питающих основные функциональные узлы станции. При токах нагрузки, близких к порогу ограничения (5 А) отмечалось появление на выходе "+5 В" ППН переменной составляющей с частотой около 950 Гц (область наибольшей чувствительности человеческого уха) и амплитудой до 650 мВ (рис. 1, одна клетка по вертикали — 200 мВ, по горизонтали — 1 мс).
Это приводило к искаженному до неразличимости воспроизведению входящих речевых сообщений и, таким образом, к полному простою УАТС. Устранение дефекта требовало ремонта или замены блока. Описываемый дефект наблюдался в экземплярах ППН, работавших в самых различных условиях. Общим для этих блоков было только значительное время эксплуатации. В резервных ППН, длительно хранившихся в
Рис. 1
нерабочем состоянии, подобных искажений не возникало.
Такой дефект, на первый взгляд, представляется невозможным. Действительно, измеренной амплитуде паразитных колебаний соответствует ток, определяемый соотношением I = Ко С, что при суммарной емкости выходных конденсаторов канала +5 В, равной 4400 мФ, соответствует 17 А. Между тем, уровень ограничения быстродействующей защиты по току в ППТ составляет 5 А. Обращает на себя внимание также то, что самовозбуждение возникало при токах нагрузки, близких к 0,9 от максимального.
Преобразование в рассматриваемом ППН осуществляется обычным образом — с помощью ключей на МОП транзисторах, коммутирующих напряжение 48 В, понижающего импульсного трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра из конденсаторов указанной выше емкости. Управляет ключами модулятор ШИМ. Перечисленные функции объединены в известной микросхеме ШИМ типа 8С3525А (рис. 2), и в такой структуре представляется невозможным прямое прохождение переменного сигнала звуковой частоты в цепи обратной связи.
Отрицательная обратная связь (ООС) по выходному напряжению канала +5 В осуществляется через оптоэлектронную развязку, выходное напряжение которой сравнивается с опорным. Далее напряжение рассогласования поступает на вход усилителя сигнала ошибки. Форма переменной составляющей напряжения на выходе дефектных ППТ показывает, что на частоте самовозбуждения условие баланса амплитуд в петле ООС выполняется с небольшим запасом. Приводимая в справочных данных частотная характеристика основного усилительного элемента УС (см. рис. 2) в данной петле показывает, что на частоте генерации усилитель сигнала ошибки с
40 - Sensors & Systems • № 4.2014
типовыми элементами цепи частотной коррекции имеет коэффициент усиления 40 дБ (рис. 3). Следовательно, возможность самовозбуждения зависит от коэффициента передачи остальной части системы. При больших нагрузках длительность импульсов ШИМ возрастает и прохождение сигнала самовозбуждения, низкочастотного относительно частоты коммутации ключей (15 кГц), усиливается. При этом становится возможной модуляция ширины импульсов и колебания выпрямленного напряжения. Однако зависимость от срока службы может указывать и на другую причину — ухудшение сглаживающих свойств конденсаторов выходного фильтра, поскольку при длительной эксплуатации емкость электролитических конденсаторов снижается. Но измерения показали, что наблюдаемые ухудшения связаны не только с уменьшением емкости, но и с увеличением активной составляющей, всегда присутствующей в импедансе электролитических конденсаторов.
Из приведенных результатов наблюдений следует вывод о том, что опыт длительной эксплуатации сложной электронной аппаратуры может способствовать выявлению причин отказов из-за трудно прогнозируемой деградации определенных, не принимавшихся во внимание при проектировании, параметров элементов ап-
К, дБ
100 -
80 -
60 -
40 -
20 -
0 -
1,0
10 100 1k 10k 100k 1M f, Гц
Рис. 2
Рис. 3
паратуры. Следовательно, влияние такой деградации следует учитывать при ускоренных испытаниях устройства как целого. В рассмотренном случае деградация относительно второстепенного параметра привела к полному нарушению работоспособности устройства, что потребовало вывода из эксплуатации и ремонта. В итоге, выполнение рассмотренных выше требований ТУ по надежности и срокам эксплуатации УАТС (20—25 лет) из-за постепенных отказов систем электропитания оказывается невозможным без их доработки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горлов М. И, Строгонов А. В. Геронтология интегральных схем: прогнозирование долговечности ИС // Петербургский журнал электроники. — 1996. — Т. 4. — C. 35—41.
2. Грановский В. А. Использование изделия для испытания объектов, однотипных с его составной частью // Датчики и системы. — 2013. — № 2. — С. 53—58.
3. Технические условия. Сельские АТС типа STAREX-RX [модели IMS, TX] 460421.026 503-2.0 ТУ.
4. Васьковский С. В. Об одном подходе к построению интегрированной информационно-вычислительной цепи // Датчики и системы. — 2004. — № 3. —
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.