開關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)研究

引言

電子產(chǎn)品的質(zhì)量是技術(shù)性和可靠性兩的綜合。電源一個(gè)電子系統(tǒng)中重要的部件，其可靠性決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，開關(guān)電源體積小,效率高而在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,如何提高它的可靠性是電力電子技術(shù)的一個(gè)重要.

1 開關(guān)電源電氣可靠性工程設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 供電方式的選擇

供電方式分為：集中式供電系統(tǒng)和分布式供電。現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)采用采用分布式供電系統(tǒng)，以滿足高可靠性設(shè)備的要求。

1.2 電路拓?fù)涞倪x擇

開關(guān)電源采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓?fù)洹Ｆ渲须p管正激式、雙正激式和半橋電路的開關(guān)管承壓僅為輸入電源電壓，60%降額時(shí)選用600 V的開關(guān)管比較，而且不會(huì)出現(xiàn)單向偏磁飽和的問題，這三種拓?fù)湓诟邏狠斎腚娐分械玫綇V泛的應(yīng)用。

1 .3 功率因數(shù)校正技術(shù)

開關(guān)電源的諧波電流污染電網(wǎng)，干擾了共網(wǎng)設(shè)備，還會(huì)使采用三相四線制的中線電流過大，引發(fā)事故，途徑之一是采用具有功率因素校正技術(shù)的開關(guān)電源。

1.4 控制策略的選擇

在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的方法，在 DC-DC變換器中輸出紋波可以控制在10 mV，優(yōu)于電壓型控制的常規(guī)電源。

硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率在350 kHz以下；軟開關(guān)技術(shù)是使開關(guān)器件在零電壓或零電流下開關(guān)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可將開關(guān)頻率提高到兆赫級水平，此技術(shù)主要應(yīng)用于大功率系統(tǒng)，小功率系統(tǒng)中較少見。

1.5 元器件的選用

元器件直接決定了電源的可靠性，元器件的選用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四點(diǎn)：制造質(zhì)量問題、器件可靠性的問題、設(shè)計(jì)問題、損耗問題。在使用中應(yīng)對此予以足夠重視。

1.6 保護(hù)電路

為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)加入多種保護(hù)電路，如防浪涌沖擊、過欠壓、過載、短路、過熱等保護(hù)電路。

2 電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)技術(shù)

開關(guān)電源多采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，脈沖波形呈矩形，其上升沿與下降 沿包含大量的諧波成分，輸出整流管的反向恢復(fù)也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（EMI），這是影響可靠性的不利因素，這使得系統(tǒng)具有電磁兼容性成為重要問題。
如圖1，產(chǎn)生電磁干擾有三個(gè)必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感接收單元，EMC設(shè)計(jì)破壞這三個(gè)條件中的一個(gè)。

對于開關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開關(guān)電路與輸出整流電路。采用的技術(shù)濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等技術(shù)。

3 電源設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)技術(shù)

統(tǒng)計(jì)資料表明電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性下降10 %；溫升50 ℃時(shí)的壽命只有溫升25 ℃時(shí)的1/6。除了電應(yīng)力之外，溫度是影響設(shè)備可靠性最重要的因素。這就在技術(shù)上采取措施限制機(jī)箱及元器件的溫升，這熱設(shè)計(jì)。熱設(shè)計(jì)的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)，如移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等技術(shù)，選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強(qiáng)散熱，即傳導(dǎo)、輻射、對流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這散熱器設(shè)計(jì)、風(fēng)冷（自然對流和強(qiáng)迫風(fēng)冷）設(shè)計(jì)、液冷（水、油）設(shè)計(jì)、熱電致冷設(shè)計(jì)、熱管設(shè)計(jì)等。

強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱量比自然冷卻大十倍，但是要風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電源、聯(lián)鎖裝置等，在設(shè)計(jì)中要根據(jù)選取散熱方式。

4 安全性設(shè)計(jì)技術(shù)

對于電源而言，安全性歷來被確定為最重要的性能，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規(guī)定的功能，而且還有發(fā)生嚴(yán)重事故，甚至造成機(jī)毀人亡的巨大損失。為保證產(chǎn)品具有相當(dāng)高的安全性，進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)。電源產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)的內(nèi)容防止電危險(xiǎn)、過熱危險(xiǎn)。

對于商用設(shè)備市場，具有代表性的安全標(biāo)準(zhǔn)有UL、CSA、VDE等，內(nèi)容因用途而異，容許泄漏電流在0.5～5mA，我國用軍標(biāo)準(zhǔn)GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5 mA。電源設(shè)備對地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器的Y電容的容量，如圖二。從EMI濾波器角度出發(fā)Y電容的容量越大越好，但從安全性角度出發(fā)Y電容的容量越小越好，Y電容的容量根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)來決定。根據(jù)GJB151A，50 Hz設(shè)備小于0.1 μF，400Hz設(shè)備小于0.02 μF。若X電容器的安全性能欠佳，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時(shí)被擊穿，它的擊穿不危及人身安全，但會(huì)使濾波器喪失濾波功能。

5 三防設(shè)計(jì)技術(shù)

三防設(shè)計(jì)是指防潮設(shè)計(jì)、防鹽霧設(shè)計(jì)和防霉菌設(shè)計(jì)。凡應(yīng)用我國長江以南、沿海地區(qū)以及軍用電源均應(yīng)進(jìn)行三防設(shè)計(jì)。

電子設(shè)備的表面在潮濕的海洋大氣中會(huì)吸附一層很薄的濕水層，即水膜，但水膜達(dá)到20～30分子層厚時(shí)，就形成化學(xué)腐蝕所的電解質(zhì)膜，這種富含鹽分的電解質(zhì)對裸露的金屬表面具有很強(qiáng)的腐蝕活性。溫度突變，在空氣中產(chǎn)生露點(diǎn)，會(huì)使印制線間絕緣電阻下降、元器件發(fā)霉，產(chǎn)生銅綠、引腳被腐蝕斷裂等。

濕熱環(huán)境為霉菌的滋生提供了有利條件。霉菌以電子設(shè)備中的有機(jī)物為養(yǎng)料，吸附水分并分泌有機(jī)酸，破壞絕緣，引發(fā)短路，加速金屬腐蝕。

在工程上，可以選用耐蝕材料，再通過鍍、涂或化學(xué)即通過對電子設(shè)備及零部件的表現(xiàn)覆蓋一屋金屬或非金屬保護(hù)膜，使之與周圍介質(zhì)隔離，從而達(dá)到防護(hù)的目的。在結(jié)構(gòu)上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環(huán)境。對印制板及組件表現(xiàn)涂覆專用三防清漆可以有效避免導(dǎo)線的電暈、擊穿，提高電源的可靠性。變壓器應(yīng)進(jìn)行浸漆，端封，以防潮氣進(jìn)入引發(fā)短路事故。

三防設(shè)計(jì)與電磁屏蔽往往是矛盾的。三防設(shè)計(jì)優(yōu)異就具有的電氣絕緣性，而電氣絕緣的外殼就沒有好的屏蔽效果，這兩需綜合考慮。在整機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮屏蔽與接地要求，采取合理的工藝，保證有電接觸的表面長期導(dǎo)通。

6 抗振性設(shè)計(jì)技術(shù)

振動(dòng)也是造成電源故障的一個(gè)重要原因。在振動(dòng)試驗(yàn)中常發(fā)生鉭電容和鋁電解電容器引線被振斷，這些就要求加固設(shè)計(jì)。可以用硅膠固定鉭電容，給高度超過25cm和直徑超過12cm的鋁電解電容器加裝固定夾，給印制板加裝肋條。

7 結(jié)束語

建議只是適用于工業(yè)品和軍品電源，對于商業(yè)級產(chǎn)品可以在某些作出不同的選擇。總之電源設(shè)備可靠性的高低，不僅跟電氣設(shè)計(jì)，而且跟裝配、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量等各有關(guān)。可靠性是以設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過各種試驗(yàn)取得反饋數(shù)據(jù)來完善設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高電源的可靠性。