開(kāi)關(guān)電源電氣可靠性設計
摘要：電源設備可靠性的高低，不僅與電氣設計，而且同元器件、結構、裝配、工藝、加工質(zhì)量等方面有關(guān)�？煽啃允且栽O計為基礎，在實(shí)際工程應用上，還應通過(guò)各種試驗取得反饋數據來(lái)完善設計,進(jìn)一步提高電源的可靠性。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源設計偏差
1、開(kāi)關(guān)電源設計步驟
電子產(chǎn)品,特別是軍用穩壓電源的設計是一個(gè)系統工程,不但要考慮電源本身參數設計,還要考慮電氣設計、電磁兼容設計、熱設計、安全性設計、三防設計等方面.因為任何方面那怕是最微小的疏忽,都可能導致整個(gè)電源的崩潰,所以我們應充分認識到電源產(chǎn)品可靠性設計的重要性.
2、開(kāi)關(guān)電源電氣可靠性設計
2.1供電方式的選擇
集中式供電系統各輸出之間的偏差以及由于傳輸距離的不同而造成的壓差降低了供電質(zhì)量，而且應用單臺電源供電；當電源發(fā)生故障時(shí)可能導致系統癱瘓。分布式供電系統因供電單元靠近負載，改善了動(dòng)態(tài)響應特性，供電質(zhì)量好，傳輸損耗小，效率高，節約能源，可靠性高，容易組成N+1冗余供電系統,擴展功率也相對比較容易.所以采用分布式供電系統可以滿(mǎn)足高可靠性設備的要求。
2.2電路拓撲的選擇
開(kāi)關(guān)電源一般采用單端正激式、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、全橋等八種拓撲單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開(kāi)關(guān)管的承壓在兩倍輸入電壓以上，如果按60%降額使用,則使開(kāi)關(guān)管不易選型。在推挽和全橋拓撲中可能出現單向偏磁飽和，使開(kāi)關(guān)管損壞，而半橋電路因為具有自動(dòng)抗不平衡能力，所以就不會(huì )出現這個(gè)問(wèn)題。雙管正激式和半橋電路開(kāi)關(guān)管的承壓僅為電源的最大輸入電壓，即使按60%降額使用，選用開(kāi)關(guān)管也比較容易.在高可靠性工程上一般選用這兩類(lèi)電路拓撲。
2.3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，它較電壓控制型有如下優(yōu)點(diǎn)：逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會(huì )因過(guò)流而使開(kāi)關(guān)管損壞，大大減小過(guò)載與短路的保護了；優(yōu)良的電網(wǎng)電壓調整率；迅捷的瞬態(tài)響應；環(huán)路穩定，易補償；紋波比電壓控制型小得多。生產(chǎn)實(shí)踐表明電流控制型的50W開(kāi)關(guān)電源的輸出紋波在25mV左右,遠優(yōu)于電壓控制型。硬開(kāi)關(guān)技術(shù)因開(kāi)關(guān)損耗的限制，開(kāi)關(guān)頻率一般在350kHz以下，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是應用諧振原理，使開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下通斷，實(shí)現開(kāi)關(guān)損耗為零，從而可將開(kāi)關(guān)頻率提高到兆赫級水平，這種應用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的變換器綜合了PWM變換器和諧振變換器兩者的優(yōu)點(diǎn)，接近理想的特性，如低開(kāi)關(guān)損耗、恒頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制范圍及負載范圍，但是此項技術(shù)主要應用于大功率電源，中小功率電源中仍以PWM技術(shù)為主。
2.4元器件的選用
因為元器件直接決定了電源的可靠性，所以元器件的選用非常重要。元器件的失效主要集中在以下四個(gè)方面:
(1)制造質(zhì)量問(wèn)題
質(zhì)量問(wèn)題造成的失效與電應力無(wú)關(guān)。
質(zhì)量不合格的可以通過(guò)嚴格的檢驗加以剔除，在工程應用時(shí)應選用定點(diǎn)生產(chǎn)廠(chǎng)家的成熟產(chǎn)品，不允許使用沒(méi)有經(jīng)過(guò)認證的產(chǎn)品。
(2)元器件可靠性問(wèn)題
元器件可靠性問(wèn)題即基本失效率的問(wèn)題，這是一種隨機性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問(wèn)題的區別是元器件的失效率取決于電應力。在一定的電應力下，元器件的失效率會(huì )大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數不合格、密封性能不合格、外觀(guān)不合格、穩定性差、早期失效等，應進(jìn)行篩選試驗,這是一種非破壞性試驗.通過(guò)篩選可使元器件失效率降低1~2個(gè)數量級，當然篩選試驗代價(jià)(時(shí)間與費用)很大,但綜合維修、后勤保障、整架聯(lián)試等還是合算的，研制周期也不會(huì )延長(cháng)。電源設備主要元器件的篩選試驗一般要求：
①電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100%測試,剔除不合格品.
②普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100%測試,剔除不合格品.
③接插件按技術(shù)條件抽樣檢測各種參數.
④半導體器件按以下程序進(jìn)行篩選：
目檢→初測→高溫貯存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測試→低溫測試→常溫測試
篩選結束后應計算剔除率QQ=(n/N)×100%式中：N——受試樣品總數;n——被剔除的樣品數;
如果Q超過(guò)標準規定的上限值，則本批元器件全部不準上機，并按有關(guān)規定處理。
在符合標準規定時(shí)，則將篩選合格的元器件打漆點(diǎn)標注，然后入專(zhuān)用庫房供裝機使用。
(3)設計問(wèn)題
首先是恰當地選用合適的元器件：
①盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件；
②多采用集成電路，減少分立器件的數目；
③開(kāi)關(guān)管選用MOSFET能簡(jiǎn)化驅動(dòng)電路，減少損耗；
④輸出整流管盡量采用具有軟恢復特性的二極管；
⑤應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件
禁止選用塑料封裝的器件；等級的軍品；
⑦設計時(shí)盡量少用繼電器,確有必要時(shí)應選用接觸良好的密封繼電器；
⑧原則上不選用電位器，必須保留的應進(jìn)行固封處理；
⑨吸收電容器與開(kāi)關(guān)管和輸出整流管的距離應當很近，因流過(guò)高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。
在潮濕和鹽霧環(huán)境下，鋁電解電容會(huì )發(fā)生外殼腐蝕、容量漂移、漏電流增大等情況，所以在艦船和潮濕環(huán)境，最好不要用鋁電解電容。由于受空間粒子轟擊時(shí)，電解質(zhì)會(huì )分解，所以鋁電解電容也不適用于航天電子設備的電源中。鉭電解電容溫度和頻率特性較好，耐高低溫，儲存時(shí)間長(cháng)，性能穩定可靠，但鉭電解電容較重、容積比低、不耐反壓、高壓品種(>125V)較少、價(jià)格昂貴。
關(guān)于降額設計：
電子元器件的基本失效率取決于電應力(包括電、溫度、振動(dòng)、沖擊、頻率、速度、碰撞等).除個(gè)別低應力失效的元器件外,其它均表現為電應力越高,失效率越高的特性.為了使元器件的失效率降低,所以在電路設計時(shí)要進(jìn)行降額設計.降額程度,除可靠性外還需考慮體積、重量、成本等因素.不同的元器件降額標準亦不同,實(shí)踐表明,大部分電子元器件的基本失效率取決于電應力和溫度,因而降額也主要是控制這兩種應力,以下為開(kāi)關(guān)電源常用元器件的降額系數：
①電阻的功率降額系數在0.1~0.5之間；
②二極管的功率降額系數在0.4以下,反向耐壓在0.5以下；
③發(fā)光二極管電壓降額系數在0.6以下,功率降額系數在0.6以下；
④功率開(kāi)關(guān)管電壓降額系數在0.6以下,電流降額系數在0.5以下；
⑤普通鋁電解電容和無(wú)極性電容的電壓降額系數在0.3~0.7之間；
⑥鉭電容的電壓降額系數在0.3以下；
⑦電感和變壓器的電流降額系數在0.6以下；
(4)損耗問(wèn)題
損耗引起的元器件失效取決于工作時(shí)間的長(cháng)短與工作應力無(wú)關(guān)。鋁電解電容長(cháng)期在高頻下工作會(huì )使電解液逐漸損失，同時(shí)容量亦同步下降，當電解液損失40%時(shí)，容量下降20%;電解液損失0%時(shí)，容量下降40%，此時(shí)電容器芯子已基本干涸，不能再予使用為防止發(fā)生故障，一般情況下應在圖紙上標明鋁電解電容器更換的時(shí)間，到期強迫更換。
2.5保護電路的設置
為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應設置多種保護電路,如防浪涌沖擊、過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、短路、過(guò)熱等保護電路。
3、電磁兼容性(EMC)設計
開(kāi)關(guān)電源因采用脈沖寬度調制(PWM)技術(shù)，其脈沖波形呈矩形，上升沿與下降沿均包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢復也會(huì )產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，這是影響可靠性的不利因素，因而使電磁兼容性成為系統的重要問(wèn)題。
產(chǎn)生電磁干擾有三個(gè)必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感的接收單元，EMC設計就是破壞這三個(gè)條件中的一個(gè)。
對于開(kāi)關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開(kāi)關(guān)電路與輸出整流電路。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線(xiàn)技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等。EMI按傳播途徑分為傳導干擾和輻射干擾。傳導噪聲的頻率范圍很寬，從10kHz~30MHz，我們雖然知道產(chǎn)生干擾的原因，但從效率上來(lái)講，通過(guò)控制脈沖波形的上升與下降時(shí)間來(lái)解決未必是一個(gè)好辦法，解決辦法之一是加裝電源EMI濾波器、輸出濾波器及吸收電路,參見(jiàn)圖2.電源EMI濾波器實(shí)際上是一種低通濾波器，它毫無(wú)衰減地把50Hz或400Hz交流電能傳遞給電子設備，卻大大衰減傳入的干擾信號，同時(shí)又能抑制設備本身產(chǎn)生的干擾信號，防止它竄入電網(wǎng)，危害公網(wǎng)其它設備。
選擇EMI濾波器是根據插入損耗的大小來(lái)選擇濾波器網(wǎng)絡(luò )結構和元器件參數，根據實(shí)際要求選擇額定電壓、額定電流、漏電流、絕緣電阻、溫度條件等參數。電源EMI濾波器最好安裝在機殼電源線(xiàn)進(jìn)口的插座附近。抑制輸出噪聲的對策基本上按10kHz~150kHz、150kHz~10MHz、10MHz以上三個(gè)頻段來(lái)解決。
10kHz~150kHz范圍內主要是常態(tài)噪聲，一般采用通用LC濾波器來(lái)解決.150kHz~10MHz范圍內主要是共模成分的噪聲，通常采用共模抑制濾波器來(lái)解決.共模扼??材料，電感量在(1~2)mH、電容量在3300pF~4700pF之間,如果控制低頻段的噪聲，可以適當加大LC的取值.在10MHz以上頻率段的對策是改進(jìn)濾波器的外形.輸出整流二極管的反向恢復也會(huì )引起電磁干擾，這種情況可以采用RC吸收電路來(lái)抑制電流的上升率，通常R在(2~20)Ω之間,C在1000pF~10nF之間,C應選用高頻瓷介電容。
良好的布局和布線(xiàn)技術(shù)也是控制噪聲的一個(gè)重要手段，為減少噪聲的發(fā)生和防止由噪聲導致的誤動(dòng)作,應注意以下幾點(diǎn)：
①盡量縮小由高頻脈沖電流所包圍的面積；
②緩沖電路盡量貼近開(kāi)關(guān)管和輸出整流二極管；
③脈沖電流流過(guò)的區域遠離輸入輸出端子,使噪聲源和出口分離；
④控制電路和功率電路分開(kāi)，采用單點(diǎn)接地方式，大面積接地容易引起天線(xiàn)作用，所以建議不要采用大面積接地方式；
⑤必要時(shí)可以將輸出濾波電感安置在地回路上；
⑥采用多只低ESR(等效串聯(lián)電阻)的電容并聯(lián)濾波；
⑦采用銅箔進(jìn)行低感低阻配線(xiàn)；
⑧相鄰印制線(xiàn)之間不應有過(guò)長(cháng)的平行線(xiàn),走線(xiàn)盡量避免平行，采用垂直交叉方式，線(xiàn)寬不要突變,也不要突然拐角.禁止環(huán)形走線(xiàn)；
⑨濾波器的輸入和輸出線(xiàn)必須分開(kāi)。禁止將開(kāi)關(guān)電源的輸入線(xiàn)和輸出線(xiàn)捆扎在一起。
對于輻射干擾主要應用密封屏蔽技術(shù),在結構上實(shí)行電磁封閉,要求外殼各部分之間具有良好的電磁接觸,以保證電磁的連續性.目前為減少重量大都采用鋁合金外殼,但鋁合金導磁性能差,因而外殼需要鍍一層鎳或噴涂導電漆,內壁貼覆高導磁率的屏蔽材料.外殼永久連接處用導電膠粘牢或采用連續焊縫結構,需拆卸的可以用導電橡膠條壓緊來(lái)保證電磁連續性.導電材料要求導電性能高、有彈性、具有最小的寬厚比.
4、電源設備可靠性熱設計
除了電應力之外，溫度是影響設備可靠性最重要的因素。電源設備內部的溫升將導致元器件的失效，當溫度超過(guò)一定值時(shí)，失效率將呈指數規律增加，溫度超過(guò)極限值時(shí)將導致元器件失效。國外統計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.需要在技術(shù)上采取措施限制機箱及元器件的溫升，這就是熱設計。熱設計的原則，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，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數目，加大加粗印制線(xiàn)的寬度，提高電源的效率.二是加強散熱,即利用傳導、輻射、對流技術(shù)將熱量轉移,這包括采用散熱器、風(fēng)冷(自然對流和強迫風(fēng)冷)、液冷(水、油)、熱電致冷、熱管等方法。
強迫風(fēng)冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上,但是要增加風(fēng)機、風(fēng)機電源、聯(lián)鎖裝置等，這不僅使設備的成本和復雜性增加，而且使系統的可靠性下降,另外還增加了噪聲和振動(dòng)，因而在一般情況下應盡量采用自然冷卻，而不采用風(fēng)冷、液冷之類(lèi)的冷卻方式。在元器件布局時(shí)，應將發(fā)熱器件安放在下風(fēng)位置或在印制板的上部，散熱器采用氧化發(fā)黑工藝處理，以提高輻射率，不允許用黑漆涂覆.噴涂三防漆后會(huì )影響散熱效果，需要適當加大裕量。散熱器安裝器件的平面要求光滑平整，一般在接觸面涂上硅脂以提高導熱率.變壓器和電感線(xiàn)圈應選用較粗的導線(xiàn)來(lái)抑制溫升。
5、安全性設計
對于電源而言，安全性歷來(lái)被確定為最重要的性能之一，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規定的功能，而且還有可能發(fā)生嚴重事故，造成機毀人亡的巨大損失。為保證產(chǎn)品具有相當高的安全性，必須進(jìn)行安全性設計。電源產(chǎn)品安全性設計的內容主要是防止觸電和燒傷。對于商用設備市場(chǎng)，具有代表性的安全標準有UL、CSA、VDE等,內容因用途而異,容許泄漏電流在0.5mA~5mA之間，我國軍用標準GJB1412規定的漏電流小于5mA.電源設備對地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器電容Cy的容量，如圖2所示。從EMI濾波器角度出發(fā)電容Cy的容量越大越好，但從安全性角度出發(fā)電容Cy的容量越小越好，電容Cy的容量根據安全標準來(lái)決定。若電容Cx的安全性能欠佳，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現時(shí)可能被擊穿，它的擊穿雖然不危及人身安全，但會(huì )使濾波器喪失濾波功能。為了防止誤觸電，插頭座原則上產(chǎn)品端(非電源端)為針，電網(wǎng)端(電源端)為孔；電源設備之輸入端為針，輸出端為孔。
為了防止燒傷，對于可能與人體接觸的暴露部件(散熱器、機殼等)，當環(huán)境溫度為25℃時(shí)，其最高溫度不應超過(guò)60℃，面板和手動(dòng)調節部分的最高溫度不超過(guò)50℃。
6、三防設計
三防設計是指防潮設計、防鹽霧設計和防霉菌設計。在設計時(shí)，對于密封有要求的元器件應采取密封措施；對于不可修復的組合裝置可采用環(huán)氧樹(shù)脂灌封；所用元器件、原材料的吸濕度應較小，不得使用含有棉、麻、絲等易霉制品；對密封機箱、機柜應設置防護網(wǎng)，以防昆蟲(chóng)和嚙齒動(dòng)物進(jìn)入；直接暴露在大氣中裝置的外頂部不應采用凹陷結構，避免積水導致腐蝕；可以選用耐蝕材料，再通過(guò)鍍、涂或化學(xué)處理使電子設備及其零部件的表面覆蓋一層金屬或非金屬保護膜,隔離周?chē)橘|(zhì)；在結構上采用密封或半密封形式來(lái)隔絕外部不利環(huán)境；對印制板及組件表面涂覆專(zhuān)用的三防清漆可以有效地避免導線(xiàn)之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性；電感、變壓器應進(jìn)行浸漆、端封，以防潮氣進(jìn)入引發(fā)短路事故。
7、結語(yǔ)
以上建議只適用于軍用電源，對于商用和工業(yè)用產(chǎn)品可以在某些方面作出不同的選擇�？傊�，電源設備可靠性的高低，不僅與電氣設計，而且同元器件、結構、裝配、工藝、加工質(zhì)量等方面有關(guān)�？煽啃允且栽O計為基礎，在實(shí)際工程應用上，還應通過(guò)各種試驗取得反饋數據來(lái)完善設計,進(jìn)一步提高電源的可靠性。
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