信賴性驗證探討-振動測試篇

近年來，電源轉換器的生產過程需要符合高可靠度的軍用標準(MIL-STD)，其考慮包含高/低溫度、濕度、振動和衝擊等測試環境，以確保在極端環境中能正常運作。本文介紹MIL-STD-810和MIL-STD-202的振動測試，然而針對不同的貨物運送方式，互相對照振動程序標準的相同處與差異處。

 

緒論

電源轉換器在運送過程中必定受到不同的振動幅度和頻率範圍，進而可能導致元件的鬆動或元件之間的相對運動，因而產生異常的噪音、機械磨損和外觀變形，以上並非廠商與使用者所願意見到的情況。假若加強電子產品包裝成本或改變運送方式，可以避免運輸途中造成損壞或減少退貨的數量，但是會增加生產成本進而失去市場競爭力。因此，電源轉換器出貨前先進行振動測試是必要的。

振動測試目的是模擬各種振動現象，測試電源轉換器是否能承受運送過程的振動，假若在振動試驗中不能長時間維持電性特性，必須提前篩出不良品並評估失效原因。根據產品承受環境不同，振動測試常見分成正弦振動試驗、隨機振動試驗或同時進行這兩種試驗，如圖1所示。

對於一般工業應用，選擇正弦振動試驗就足夠應付，但相比之下，隨機振動試驗可提供更真實的測試，以模擬在各種情況中經歷的振動，例如不平整的路面上行駛的汽車，海上航行船隻和飛行過程中的噴氣式飛機等等。

 

MIL-STD-810和MIL-STD-202振動測試

軍事設備必須在極端環境中可靠地運行，因此軍用標準涵蓋的測試項目要滿足各種嚴格的要求。MIL-STD須由認證的實驗室測試，其中軍用標準測試MIL-STD-810是最廣泛的規範之一，MIL-STD-202是針對電子和電氣元件的測試規範。以下介紹兩個規範的振動測試的程序。

1. MIL-STD-202

(1) 振動試驗

使用測試方法201進行測試，在測試之前，應選擇合適的設備並且依照規定安裝產品，以確保安裝在測試頻率範圍內不會產生共振。

此測試為最大偏移量0.06英寸的簡諧運動，頻率在10-55Hz的均勻變化，從 10 到 55 Hz 再回到 10 Hz 的整個頻率範圍應在大約 1 分鐘內通過，三個軸方向各振動兩小時。

(2) 高頻振動試驗

使用測試方法204進行測試，主要測試振動頻率10-500Hz、10-2000Hz或10-3000Hz對元件的影響程度，如飛機或導彈。依照規定的頻率範圍、振幅和持續時間，可以分成八個測試條件，分別為A、B、C、D、E、F、G、H。樣品需在斷電或指定負載下進行測試。圖2表示高頻振動測試曲線。

(3) 隨機振動試驗

使用測試方法214進行測試，主要是確定元件承受上/下限頻率內的隨機震動施加的動態應力，例如噴氣式飛機和火箭發動機現場環境中經歷的振動。隨機振動的振幅具有高斯常態分佈，而且峰值加速度幅度被限制為最小值的三倍均方根。

當測試項目被固定安裝於軍事振動機系統上進行監測，安裝夾具盡可能靠近測試項目安裝點位置，以方便監測振動幅度。當測量多個測試點的振動輸入，通常選擇最小輸入震動對應於指定的測試曲線，如圖3，最後功率譜密度曲線的幅度將在振動機指定限制範圍之間。

 

2. MIL-STD-810

MIL-STD-810是一項軍事測試標準，其目的是確定振動幅度和生命週期的持續時間，以確認產品是否能夠承受得住振動暴露，並開發產品於各種應用環境中運行的測試。MIL-STD-810內振動方法514中有四個程序，每個程序主要對於特定應用的說明且盡可能準確地模擬環境生命週期的振動情況。

(1) 一般振動: 適用固定於運輸或車輛上的系統

(2) 散裝貨物運輸: 模擬軍用車輛在崎嶇地形中運輸未固定鬆散的貨物

代表軍用車輛在崎嶇地形中運輸鬆散的貨物

(3) 大型裝配運輸: 模擬大型材料組件振動環境

(4) 組裝飛機商店運輸和自由飛行: 適用所有飛機的固定機翼運輸，以及導彈的自由飛行階段。

選擇符合軍用振動標準的振動試驗機來模擬極端振動環境，測試各種振動試驗應用領域中的振動強度和電源轉換器可靠性，其包含電氣功能是否異常、儀器精準度、電源轉換器腳位有沒有鬆動和封裝接合處有沒有被破壞等。

下圖為垂直式振動試驗系統，首先將電源轉換器固定於振動平台，振動控制機可以對電源轉換器施加各種條件的振動波形，例如正弦試驗和隨機試驗，以及控制多種參數，例如振動頻率值、振幅量、速度、加速度和持續時間。

對應振動環境

對於各種應用環境測試，找出合適的規範加以限制，以MIL-STD-810規範中針對各種應用面，例如卡車/拖車上的貨物、噴射飛機上的貨物、直升機、飛機、輪船、火車等。討論貨物在各應用下的振動條件、持續時間和繪出加速度譜密度圖，但MIL-STD-202規範僅對於振動的測試、安裝方式和振動持續時間等等方面討論，並未特別的說明各應用條件。

以下將粗淺地討論MIL-STD-810內容提到空運環境運送貨物的振動條件對應於MIL-STD-202是符合那些測試條件。

• 應用-噴射飛機

進行測試的目的是以確定在運送過程中，電子零件承受隨機振動的能力，以模擬各種情境，例如噴射式飛機的最大振動是由引擎排氣所產生的，尤其在起飛期間。

表1.對照表-噴射飛機應用

Application-Jet aircraft	MIL-STD-810	MIL-STD-202
Describe	Method 514.8 General exposure: The recommended criteria for jet aircraft cargo, and broadband random	Method 214 Characteristic of modern field environments produced by missiles, high-thrust jets and rocket engine
Items	1.Frequency:    15-2000Hz	1.Frequency:    50-2000Hz
	2. Exposure Duration Time:      1 minute per takeoff	2.Duration Time: The specimen shall then be subjected to the vibration specified by  figure 5 for the duration as specified in the individual specification: 3-minutes; 15-minutes; 1-1/2 hours; or 8-hours
	3. Acceleration Spectral Density:      max. 0.02 g2/Hz	3. Acceleration: The magnitudes of peak values may be limited to a minimum of three times the rms (three-sigma (σ) limits)
	4.Curve:     Figure 6	4.Curve:     Figure 3(a)(b)

 

結論

高可靠度的電子產品在設計後，一定要作振動試驗才可以有效地將不良品提前篩檢出來，以避免運輸過程中貨物損壞。簡述MIL-STD-810和MIL-STD-202振動測試，針對MIL-STD-810的運輸貨物於飛機運送過程，對照MIL-STD-202的隨機振動內容。

 

 

 

頻譜電子創立於1987年，為專業的高階電源模組(交流轉直流電源轉換器, 直流轉直流電源轉換器)提供設計製造及技術服務，服務範圍遍及全球。我們致力於為客戶創造商機並且自詡為客戶的虛擬事業體。頻譜電子擁有35年以上的豐富經驗，從市場研究開始，我們在商業方案、產品研發、供應鏈管理以及全面技術服務等都可以提供高標準的服務。

頻譜電子是業界中唯一擁有ISO9001, IATF16949, ISO22163(目前為台灣唯一一家獲得銀級認證的公司)以及ESD20.20。我們專精於高端應用，像是工業、鐵道、電動載具以及醫療市場等。我們的技術能力涵蓋寬輸入範圍12:1、寬操作溫度自-40°C至110°C、超高絕緣標準可以達到reinforced以及2MOPP、高隔離耐壓達到20KVDC，甚至可以達到EMI Class A Built in等。除此之外，頻譜電子導入智慧製造以及國際化的生產基地，讓我們可以遊刃有餘的面對來自世界各地且變化極大的需求。