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POWER
RELIABILITY
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- ELETTRONICA OGGI 456 - SETTEMBRE 2016
i componenti utilizzati devono anche essere qualificati per
garantire prestazioni conformi alle specifiche dopo essere stati
sottoposti a temperature di saldatura a riflusso più alte e tempi
di immersione (soak time) più lunghi.
… o sovra-specificando il progetto
Oltre a un progetto elettrico “prudente”, i produttore di ali-
mentatori possono intraprendere altre azioni per aumentare
l’affidabilità complessiva.
L’impiego di componenti intrinsecamente più affidabili – grazie
alle loro proprietà fisiche, al loro progetto, ai materiali utilizzati
o ai processi di produzione e collaudo utilizzati – può ridurre
drasticamente il rischio complessivo, a fronte di un inevitabile
aumento dei costi. Nel caso degli alimentatori, il componente
più soggetto ai guasti è il condensatore e di conseguenza l’u-
tilizzo di condensatori caratterizzati da una durata più lunga
avrà effetti sicuramente positivi.
Una seconda opzione è l’uso del concetto di ridondanza. Come
si evince osservando il grafico di figura 3, le probabilità che
più di una unità possa guastarsi sono alquanto scarse. Ad
esempio, se l’affidabilità di ogni singola unità è pari a 0,99, la
probabilità che entrambe le unità si guastino è pari a 0,9999 in
un progetto dove N=1.
Come già affermato nella parte iniziale dell’articolo, solo il 37%
degli alimentatori sarà funzionante una volta superato il tempo
previsto dall’ MTTF. Con l’aggiunta di un alimentatore, il 60%
dei sistemi potrà contare su almeno un alimentatore funzio-
nante una volta trascorso il medesimo periodo di tempo. Estre-
mizzando questo calcolo, nel caso il progetto prevedesse cin-
que alimentatori, oltre il 50% dei sistemi potrà disporre di un
alimentatore funzionante dopo un tempo pari a volte il valore
del MTTF. La ridondanza N+1 comporta costi iniziali più
alti ma prevede la possibilità di eseguire la sostituzione “a
caldo” (hot-swap) per sostituire l’unità guasta.
Oltre a ciò, l’impiego di componenti in condizioni ope-
rative in cui i valori delle specifiche sono molto inferiori
rispetto a quelli nominali rappresenta un metodo relativa-
mente semplice per aumentare l’affidabilità.
Se si esamina ad esempio la temperatura, un compo-
nente specificato per funzionare in maniera affidabile a
85 °C potrà garantire un aumento significativo della sua
durata operativa se utilizzato a 55 °C. in linea di principio
la durata di un componente raddoppia per ogni decre-
mento di 10 °C della temperatura.
Il metodo più diretto per aumentare l’affidabilità e mini-
mizzare la temperature e i cicli di temperatura. La relazio-
ne che intercorre tra temperatura e durata è basata su un
adattamento dell’equazione di Arrhenius:
A
R
= e
((Ea/k).(1/T1-1/T2))
Dove:
Ea = energia di attivazione per i processi che portano all’in-
sorgere del guasto che varia tipicamente da 0,8 eV a 1,0 eV
k = costante di Boltzman, pari a 8,617x10
-5
ev k
-1
T = temperature (
o
K) - tipicamente si fa riferimento alla tempe-
rature ambiente (298,15
o
K, 25
o
C)
Data la dipendenza dalle modalità di montaggio, dal conteni-
tore, dalle condizioni ambientali, dal tipo di raffreddamento
(attivo o non attivo) e da altri fattori, questo parametro non può
solitamente essere controllato direttamente da un OEM.
L’ultimo aspetto da prendere in considerazione è la prova di
burn-in. Esaminando la figura 1, si può vedere che i guasti si
possono verificare con maggiore probabilità durante la fase
iniziale della vita di un prodotto che non nel corso della vita
operativa. Con questa prova è possibile eliminare tutte quelle
unità che potrebbero guastarsi prematuramente una volta
installate sul campo, con conseguenze negative sul livello di
affidabilità complessivo.
Il progetto di un alimentatore affidabile, in definitiva, non è un
compito semplice in quanto richiede una notevole attenzione
in tutte le fasi del ciclo di sviluppo: dall’analisi al progetto, dalla
scelta dei component alla produzione, dal collaudo all’installa-
zione finale.
L’affidabilità non è legata a una singola fase, ma al contrario
sono molti i fattori che possono contribuire a ridurre l’affidabi-
lità dell’alimentatore.
Quando un costruttore analizza l’affidabilità prevista del pro-
dotto, è importante la massima omogeneità a livello di data-
base, modelli, condizioni ambientali e produzione al fine di
ottenere risultati utili da utilizzare per eseguire un confronto
tra differenti alimentatori e topologie di implementazione.
Fig. 4 – Effetto della temperatura sulla durata prevista di un dispositivo. il grafi-
co fa riferimento a un componente caratterizzato da una temperatura nominale
di 85 oC e un’energia di attivazione (Ea) of 1,0 eV