Pickering的程控開關(guān)產(chǎn)品型號(hào)眾多，采用的繼電器類型多樣。
將不同數(shù)量的繼電器，組裝成為開關(guān)模塊后，該如何準(zhǔn)確描述最終產(chǎn)品的可靠性?
目前主流的描述產(chǎn)品可靠性的指標(biāo)是MTBF(Mean Time Between Failure, 平均無故障工作時(shí)間)，單位為小時(shí)?？梢院唵卫斫鉃楫a(chǎn)品總使用時(shí)長與故障次數(shù)的比值。由于多數(shù)整機(jī)產(chǎn)品的MTBF為數(shù)千至數(shù)萬小時(shí)，元器件的MTBF更高，大部分情況下是無法通過實(shí)測來獲取該數(shù)值。所以目前有3個(gè)常用的參考規(guī)范規(guī)定了MTBF的具體試驗(yàn)和計(jì)算方法。分別是美軍標(biāo)MIL-HDBK-217，國軍標(biāo)GJB/Z299B和AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的針對(duì)商用電子產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Bellcore。
這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用范圍有所不同，但是數(shù)學(xué)方法大同小異。我們計(jì)算開關(guān)模塊MTBF時(shí)采用的公式主要參考了MIL-HDBK-217。
從元器件的角度考慮，開關(guān)器件的故障率遠(yuǎn)高于基于半導(dǎo)體技術(shù)的通訊芯片、驅(qū)動(dòng)芯片，也遠(yuǎn)高于PCB、阻容器件、連接器等無源器件，因此計(jì)算開關(guān)模塊MTBF主要考慮的因素就是繼電器本身、組合關(guān)系、已經(jīng)各種影響因素。主要包括：
元器件基準(zhǔn)故障率：規(guī)范中規(guī)定默認(rèn)值為25℃時(shí)0.0059/百萬小時(shí)，30℃時(shí)0.0067/百萬小時(shí)。由于我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)用于室溫環(huán)境，并有機(jī)箱輔助控溫，可以采用0.0059/百萬小時(shí)的數(shù)據(jù)。
開關(guān)構(gòu)型因數(shù)：SPST(單刀單擲)開關(guān)最穩(wěn)定可靠，因數(shù)為1;DPST(雙刀單擲)因數(shù)為1.5
開關(guān)負(fù)載因數(shù)：輕載為1，純阻性滿載為4.77。注意隨著外部負(fù)載特性發(fā)生變化，此因數(shù)可達(dá)200甚至更高，但是這種情況極易引起開關(guān)器件過載損壞，不屬于正常使用，所以計(jì)算時(shí)不予考慮。·
循環(huán)因數(shù)：每小時(shí)不超過10次操作的繼電器記為1，每小時(shí)10~1000次記為10，每小時(shí)超過1000次記為100.
品質(zhì)因數(shù)：商用級(jí)別產(chǎn)品記為2.9，軍用級(jí)別記為0.1。Pickering的產(chǎn)品建議采用1或1.5。
環(huán)境因數(shù)：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境記為1，外場環(huán)境記為2。
應(yīng)用因數(shù)：一般干簧繼電器記為6.
計(jì)算公式為：MTBF = 1e6/(同類器件數(shù)量*以上所有的乘積)，單位為小時(shí)
例：16個(gè)繼電器，低負(fù)載
室內(nèi)環(huán)境，16個(gè)繼電器，低負(fù)載，
每個(gè)繼電器每小時(shí)操作不超過100次。
MTBF=1e6/(16*0.0059*1*1*10*1*1*6)
= 176,553(h)
例：超大規(guī)模矩陣
以Pickering的BRIC矩陣為例，某型號(hào)包含2238個(gè)繼電器。其中2208個(gè)是矩陣主體，24個(gè)是隔離繼電器，6個(gè)是備用繼電器(備件不參與工作，計(jì)算MTBF時(shí)可排除)。
根據(jù)產(chǎn)品的工作原理考慮，隔離繼電器自動(dòng)跟隨矩陣?yán)^電器動(dòng)作，大多數(shù)應(yīng)用中其切換頻率與矩陣?yán)^電器相當(dāng)或略低，所以不需要單獨(dú)計(jì)算。
在幾乎所有類型的應(yīng)用中，在某一個(gè)觀測時(shí)間段內(nèi)，超大規(guī)模開關(guān)矩陣內(nèi)部絕大多數(shù)繼電器的切換頻率極低，少部分繼電器處于中速或告訴切換狀態(tài)。信號(hào)負(fù)載功率的分布也很不均勻。因而要估計(jì)超大規(guī)模開關(guān)矩陣產(chǎn)品的MTBF，需要對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)或評(píng)估，基于實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算。各項(xiàng)參數(shù)評(píng)估越精確，MTBF的計(jì)算結(jié)果也就越準(zhǔn)確。
以某典型應(yīng)用為例，通過的均為輕載信號(hào)，5%的繼電器操作頻率達(dá)到1000次/小時(shí)，其它不超過10次/小時(shí)。
計(jì)算可得
MTBF=1e6/(2232*0.5*0.0059*1*1*100*1*1*6+2232*0.95*0.0059*1*1*1*1*1*6)=2127(h)
但是如果高速切換的繼電器操作頻率上限為100次/小時(shí)，MTBF就提高到
MTBF=1e6/(2232*0.5*0.0059*1*1*10*1*1*6+2232*0.95*0.0059*1*1*1*1*1*6)=8728(h)
可見合理設(shè)計(jì)并準(zhǔn)確評(píng)估大規(guī)模開關(guān)產(chǎn)品的工作狀態(tài)，可以更準(zhǔn)確預(yù)估并優(yōu)化產(chǎn)品的可靠性。
