Interactive Dept 3/19/2008

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1 Approccio al derating ed alla affidabilità nei moderni alimentatori switching Ing. Giacomo Mazzullo Power Application Engineer Lambda Italia Milano 18 Marzo 2008 pag 1/24 AGENDA FAQ Cenni teorici Applicazioni Critiche e Non Critiche Scelta dei componenti Rating e Derating dei componenti Cenni su raccolta ed analisi dati Risultati delle esperienze sui convertitori prodotti da Lambda Conclusioni Milano 18 Marzo 2008 pag 2/24 Title goes here 1

2 FAQ Quale approccio devo seguire perché il mio progetto sia affidabile? Ho come dato di progetto un MTTF minimo : quali componenti scegliere e quale derating applicare? Come evito di irrobustire eccessivamente il mio progetto? (Cioè come evito di spendere soldi inutilmente?) Vorrei capire meglio quale parte del mio progetto irrobustire per focalizzare meglio le risorse interne. Milano 18 Marzo 2008 pag 3/24 Cenni Teorici Affidabilità R(t1, t2) La probabilità che un entità possa eseguire una funzione richiesta in condizioni stabilite per un dato intervallo di tempo (t1-t2) (CEI sez ) Milano 18 Marzo 2008 pag 4/24 Title goes here 2

3 Cenni Teorici Legenda R(t) affidabilità (t) tasso di guasto L affidabilità è un numero < 1 [adimensionale] Il tasso di guasto è misurato generalmente in FIT Nelle applicazioni pratiche generalmente il tasso di guasto assume valori costanti indipendenti dal tempo R(t) e -λt da cui MTTF 1 1 "FIT" 10-9 h " FIT" FAILURE IN TIME -1 Milano 18 Marzo 2008 pag 5/24 Cenni Teorici MTTF - TEMPO MEDIO AL GUASTO Il valore atteso del tempo al guasto. (CEI Sez ) MTBF - TEMPO OPERATIVO MEDIO TRA GUASTI Il valore atteso del tempo operativo fra guasti. (CEI Sez ) In fase progettuale il punto di interesse maggiore è l MTTF. Perché allora si sente parlare generalmente solo di MTBF? Ecco la spiegazione: Mortalità infantile Regione a tasso di guasto costante Mortalità per usura MTBF MTTF assuntoil tassodi guasto costante Milano 18 Marzo 2008 pag 6/24 Title goes here 3

4 Cenni Teorici R1 (t)- 1 2 (t) - 2 R R n (t) - n MODELLI DI ANALISI : SISTEMA SERIE il sistema, composto di n parti distinte, è funzionante quando tutte le n parti sono funzionanti ed è in stato di guasto quando una parte qualsiasi è in stato di guasto; le n parti sono indipendenti tra loro per l'affidabilità e per tempo di guasto; R1(t), R2(t),, Rn(t) sono le affidabilità delle n parti e Rs(t) è l'affidabilità del sistema [R(t)<1]; le parti hanno tutte tempo al guasto con distribuzione esponenziale; 1, 2,,n sono i tassi di guasto costanti delle n parti; R S - S Rs( t) per cui: n i1 Ri( t) e R (t) S 1 MTTFs R n (t) e s ove MTTF s s n i1 MTTF n i n Milano 18 Marzo 2008 pag 7/24 Cenni Teorici 1 50FIT 2 100FIT 3 500FIT S 650FIT Esempio Sistema Serie 1 MTTF : 20 Mhours 2 MTTF : 10 Mhours 3 MTTF : 5 Mhours S MTTFs : 1.54Mhours Esempio Sistema Serie (ottimizzato) 1 MTTF : 10 Mhours 2 MTTF : 10 Mhours 3 MTTF : 5 Mhours S MTTFs : 1.43Mhours Milano 18 Marzo 2008 pag 8/24 Title goes here 4

5 Cenni Teorici MODELLI DI ANALISI : SISTEMA PARALLELO e/o RIDONDANTI L analisi di suddetti sistemi è molto complessa poiché bisogna tenere conto di molti fattori oltre che della tipologia di configurazione; Come linea generale si consideri che un sistema parallelo, anche se provvisto di ridondanza, avrà comunque un MTTF inferiore al sistema semplice sprovvisto della stessa; Vale infatti, generalmente, la regola empirica che un sistema per avere MTTF molto alto deve essere soprattutto SEMPLICE. Milano 18 Marzo 2008 pag 9/24 Applicazioni Critiche e Non Critiche Il derating di un componente è funzione della posizione dello stesso nel circuito; Per questo motivo vengono individuati due tipologie di applicazioni: Critiche e Non Critiche ; Critiche sono le applicazioni che in caso di guasto implicano il mancato funzionamento di tutto il circuito; Non Critiche sono le applicazioni che in caso di guasto non inficiano il funzionamento di tutto il circuito; Il derating nelle applicazioni Critiche richiede maggiore attenzione e l utilizzo di componentistica di massima qualità. Milano 18 Marzo 2008 pag 10/24 Title goes here 5

6 Scelta dei componenti APPLICAZIONI CRITICHE Nelle applicazioni militari è generalmente vietato utilizzare capacità elettrolitiche nelle parti critiche dei circuiti; Minimizzare l utilizzo delle capacità elettrolitiche nelle applicazioni civili; Ove non possibile, utilizzare solamente capacità elettrolitiche Long Life 105 C; Ove possibile evitare l utilizzo di Relays, Ventole; Coefficienti di Derating altamente restrittivi. APPLICAZIONI NON CRITICHE E possibile l utilizzo di capacità elettrolitiche anche 85 C; Coefficienti di Derating meno restrittivi rispetto alle applicazioni Critiche. Milano 18 Marzo 2008 pag 11/24 Rating e Derating dei componenti APPLICAZIONE NON CRITICA Derating: Riduzione intenzionale del rapporto Stress/Robustezza nell applicazione di un componente, di solito allo scopo di ridurre l occorrenza dei guasti legati allo stress applicato. Milano 18 Marzo 2008 pag 12/24 Title goes here 6

7 Rating e Derating dei componenti Milano 18 Marzo 2008 pag 13/24 Rating e Derating dei componenti Come scegliere le temperature operative dei componenti? Come scegliere i derating dei componenti? Solamente in base alla nostra esperienza oppure esistono dei modelli matematici che possono venirci in aiuto? Milano 18 Marzo 2008 pag 14/24 Title goes here 7

8 Rating e Derating dei componenti Di sicuro aiuto possono essere le indicazioni dettate dalle normative militari MIL-HDBK-217F e MIL-HDBK-251 In queste normative sono indicate, caso per caso e per tipologia di componente, dei coefficienti correttivi da applicare al proprio Failure Rate in funzione di Stress Ambientali, Stress Termici, Stress Meccanici, ecc, cui il componente può venire sottoposto e che possono essere utili per calcolare l allungamento della vita del prodotto finale. Ulteriori normative utili possono essere : Telcordia, Bellcore, China 299B, ecc. Milano 18 Marzo 2008 pag 15/24 CENNI SU RACCOLTA E ANALISI DATI Non potendo disporre di campioni a numerosità infinita, nei casi pratici si devono stabilire degli Intervalli di Confidenza o range di valori entro i quali il valore vero ricada, con probabilità determinabile dalle dimensioni finite del campione. Gli Intervalli di Confidenza sono definiti da un Limite di Confidenza Inferiore L e un Limite di Confidenza Superiore U. Se ad esempio si calcola l intervallo di confidenza per una probabilità di 90%, si sa che nel 90% dei casi il valore vero del parametro studiato cadrà entro l intervallo stimato. In questo caso si tratta di determinare un Intervallo di Confidenza Monolaterale. Le modalità di calcolo degli intervalli di confidenza cambiano al variare del tipo di distribuzione affidabilistica propria degli oggetti sottoposti a stima e al variare del tipo di prova. Per il seguito si faccia la seguente ipotesi: = Probabilità a cui riferire l Intervallo di Confidenza Milano 18 Marzo 2008 pag 16/24 Title goes here 8

9 CENNI SU RACCOLTA E ANALISI DATI Prove troncate con sostituzione (utile per calcolo MTTF reale da rientri dal campo) 2n t Limite Inferiore MTTF L 2 χ α, 2g 2 Prove troncate senza sostituzione (utile per calcolo MTTF reale in prove HALT) Limite con T g t i i1 Inferiore n = numero campioni g = numero di oggetti guasti MTTF n g t (3) 2T 2 χ α, 2g 2 L (1) (2) La funzione χ 2 (n1,n2) è la distribuzione Chi-Quadro, a 2 gradi di libertà, generalmente tabulata in tutti i testi di statistica e nei principali testi di affidabilità, ed è inclusa generalmente nei fogli elettronici di recente generazione. Milano 18 Marzo 2008 pag 17/24 Risultati delle esperienze sui convertitori prodotti da Lambda Milano 18 Marzo 2008 pag 18/24 Title goes here 9

10 Risultati delle esperienze sui convertitori prodotti da Lambda DERATING DEI PRINCIPALI COMPONENTI ATTIVI MAXIMUM JUNCTION TEMPERATURE CALCULATION / WORST CASE CONDITION REF. COMPONENTS (V) (I) POWER TJ MAX DISSIP. (W) TJ Real D.F % D1 FULL BRIDGE ,74 120,9 80,6 Q1 MOSFET PHFC ,74 115,2 76,8 D2 FRD PHFC ,27 111,2 74,1 Q2 MOSFETS ,78 115,8 77,2 FWD CONV. Q ,81 121,2 80,8 D ,85 113,6 75,7 LLD RECTIFIER D , ,0 CRITERIO: Margine di 20:25% sullo sfruttamento dei componenti attivi VERIFICA ΔT. PRINCIPALI COMPONENTI MAIN COMPONENTS TEMPERATURE RISE LIST MEASURED Tamb=50 C Vino=100VAC FULL LOAD Tamb=50 C Vino=200VAC FULL LOAD REF. COMPONENTS T MAX DeltaT DeltaT D.F % T MAX Reale Real D.F % D1 FULL BRIDGE ,8 75, ,2 60,1 Q1 MOSFET PHFC ,4 73, ,4 62,3 D2 FRD PHFC ,7 71, ,7 63,1 Q2 MOSFETS , ,5 67,0 Q3 FWD CONV ,4 74, ,1 70,1 D , ,3 LLD RECTIFIER D , ,7 VERIFICA: Margine di 20:25% sullo sfruttamento dei componenti attivi RISPETTATO! Milano 18 Marzo 2008 pag 19/24 Risultati delle esperienze sui convertitori prodotti da Lambda CRITERI DI SCELTA DEI CONDENSATORI ELETTROLITICI ITEM FUNCTION P/N SERIES PROVIDER DeltaT Range expected life C6 BULK CAPS KXG LONG LIFE N. CHEMICON -25 C +105 C 8000 hours C7 BULK CAPS KXG LONG LIFE N. CHEMICON -25 C +105 C 8000 hours C51 OUT.CAPS LXZ low impedance N. CHEMICON -55 C +105 C 7000 hours CON MONTAGGIO IN VERTICALE STIMA DI ASPETTATIVA DI VITA DEI COND.ELETTROLITICI Vin=100VAC LOAD (%) Ta=40 C Ta=50 C Ta=60 C years 8,1 years 4 years years 5,7 years 2,9 years 80 8 years 4 years ,1years 2,5 years - Vin=200VAC LOAD (%) Ta=40 C Ta=50 C Ta=60 C years 9,8 years 4,9 years years 7 years 3,5 years years 5,1 years ,1 years 3,5 years - Milano 18 Marzo 2008 pag 20/24 Title goes here 10

11 Risultati delle esperienze sui convertitori prodotti da Lambda CRITERI DI SCELTA DELLE VENTOLE MODELLO 12V SANYO DENKI LONG LIFE ORE di sopravvivenza su oltre il 90% della 60 C Air Flow ΔT in/out air PSU HWS300: 4 C 50mm HWS600: 8 C STIMA DI ASPETTATIVA DI VITA DELLE VENTOLE SULLE PSUs 300 WATT MODEL 600 WATT MODEL EXAUST AIR YEAR EXAUST AIR YEAR 40 7,5 40 5,5 50 6,2 50 4,5 60 4,7 60 3,5 70 2,8 70 2,3 Measuring point Milano 18 Marzo 2008 pag 21/24 Risultati delle esperienze sui convertitori prodotti da Lambda LAMBDA OFFRE PER PRIMA LA GARANZIA A VITA HWS SERIES Lambda è la prima società in campo industriale ad offrire la garanzia a vita o lifetime su uno dei suoi prodotti di punta, la serie HWS. L affidabilità di questa famiglia di alimentatori, fiore all occhiello dell intera produzione, è comprovata da un irrilevante percentuale di ritorni in garanzia. La garanzia a vita copre l intera gamma di prodotti della famiglia HWS (da 15W a 1500W) inclusi i modelli HD (Heavy Duty) e ME (Medicale). Per maggiori informazioni sulla serie HWS e sulla garanzia lifetime : o info.italia@lambda-europe.com Milano 18 Marzo 2008 pag 22/24 Title goes here 11

12 CONCLUSIONI Una opportuna scelta dei componenti e del derating loro applicato può portare ad un notevole allungamento della vita del nostro prodotto; Analizzando opportunamente il nostro sistema possiamo scegliere con criterio ove investire maggiormente per irrobustire il nostro progetto e dove è possibile risparmiare (vedi analisi sistemi serie); Rendere un progetto complesso generalmente NON aumenta le caratteristiche di affidabilità dello stesso; Un approccio alla progettazione basato sulle regole del Derating in funzione dell MTTF desiderato, permette di predire con sufficiente confidenza quale sarà la vita media del nostro prodotto ottimizzando i costi dei test HALT e riducendo i rientri in garanzia. Milano 18 Marzo 2008 pag 23/24 Grazie..e buon lavoro!!! Milano 18 Marzo 2008 pag 24/24 Title goes here 12