開(kāi)關(guān)電源的可靠性設計研究

開(kāi)關(guān)電源的可靠性設計研究

引言

電子產(chǎn)品的質(zhì)量是技術(shù)性和可靠性?xún)?img src="/image/wz/fangmian.jpg" />的綜合。電源一個(gè)電子系統中重要的部件，其可靠性決定了整個(gè)系統的可靠性，開(kāi)關(guān)電源體積小,效率高而在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用,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(kāi)關(guān)電源電氣可靠性工程設計技術(shù)

1.1 供電方式的選擇

供電方式分為：集中式供電系統和分布式供電�，F代電力電子系統采用采用分布式供電系統，以滿(mǎn)足高可靠性設備的要求。

1.2 電路拓撲的選擇

開(kāi)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、全橋等八種拓撲。其中雙管正激式、雙正激式和半橋電路的開(kāi)關(guān)管承壓僅為輸入電源電壓，60%降額時(shí)選用600 V的開(kāi)關(guān)管比較，而且不會(huì )出現單向偏磁飽和的問(wèn)題，這三種拓撲在高壓輸入電路中得到廣泛的應用。

1 .3 功率因數校正技術(shù)

開(kāi)關(guān)電源的諧波電流污染電網(wǎng)，干擾了共網(wǎng)設備，還會(huì )使采用三相四線(xiàn)制的中線(xiàn)電流過(guò)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(kāi)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電源。

硬開(kāi)關(guān)技術(shù)因開(kāi)關(guān)損耗的限制，開(kāi)關(guān)頻率在350 kHz以下；軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是使開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流下開(kāi)關(guān)，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，此技術(shù)主要應用于大功率系統，小功率系統中較少見(jiàn)。

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(wèn)題、器件可靠性的問(wèn)題、設計問(wèn)題、損耗問(wèn)題。在使用中應對此予以足夠重視。

1.6 保護電路

為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應在設計時(shí)加入多種保護電路，如防浪涌沖擊、過(guò)欠壓、過(guò)載、短路、過(guò)熱等保護電路。

2 電磁兼容性（EMC）設計技術(shù)

開(kāi)關(guān)電源多采用脈沖寬度調制（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，這使得系統具有電磁兼容性成為重要問(wèn)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設計破壞這三個(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)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)等技術(shù)。

3 電源設備可靠性熱設計技術(shù)

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。除了電應力之外，溫度是影響設備可靠性最重要的因素。這就在技術(shù)上采取措施限制機箱及元器件的溫升，這熱設計。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)等技術(shù)，選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數目，加大粗印制線(xiàn)的寬度，提高電源的效率。二是加強散熱，即傳導、輻射、對流技術(shù)將熱量轉移，這散熱器設計、風(fēng)冷（自然對流和強迫風(fēng)冷）設計、液冷（水、油）設計、熱電致冷設計、熱管設計等。

強迫風(fēng)冷的散熱量比自然冷卻大十倍，但是要風(fēng)機、風(fēng)機電源、聯(lián)鎖裝置等，在設計中要根據選取散熱方式。

4 安全性設計技術(shù)

對于電源而言，安全性歷來(lái)被確定為最重要的性能，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規定的功能，而且還有發(fā)生嚴重事故，甚至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，進(jìn)行安全性設計。電源產(chǎn)品安全性設計的內容防止電危險、過(guò)熱危險。

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0.5～5mA，我國用軍標準GJB1412規定的泄漏電流小于5 mA。電源設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電容的容量根據安全標準來(lái)決定。根據GJB151A，50 Hz設備小于0.1 μF，400Hz設備小于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 三防設計技術(shù)

三防設計是指防潮設計、防鹽霧設計和防霉菌設計。凡應用我國長(cháng)江以南、沿海地區以及軍用電源均應進(jìn)行三防設計。

電子設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(xiàn)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。霉菌以電子設備中的有機物為養料，吸附水分并分泌有機酸，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(guò)鍍、涂或化學(xué)即通過(guò)對電子設備及零部件的表現覆蓋一屋金屬或非金屬保護膜，使之與周?chē)�介質(zhì)隔離，從而達到防護的目的。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。對印制板及組件表現涂覆專(zhuān)用三防清漆可以有效避免導線(xiàn)的電暈、擊穿，提高電源的可靠性。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。

三防設計與電磁屏蔽往往是矛盾的。三防設計優(yōu)異就具有的電氣絕緣性，而電氣絕緣的外殼就沒(méi)有好的屏蔽效果，這兩需綜合考慮。在整機設計中，應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(cháng)期導通。

6 抗振性設計技術(shù)

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

7 結束語(yǔ)

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�？傊�電源設備可靠性的高低，不僅跟電氣設計，而且跟裝配、工藝、結構設計、加工質(zhì)量等各有關(guān)�？煽啃允且栽O計為基礎，在工程應用上，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。