开关电源可靠性设计研究样本.doc

开关电源可靠性设计研究

摘要：对影响军用PWM型开关稳压电源可靠性原因作出较为具体分析比较，并从工程实际出发提出部分提升开关电源可靠性提议。
关键词：开关电源 可靠性
1 引言

电子产品，尤其是军用稳压电源设计是一个系统工程，不仅要考虑电源本身参数设计，还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、安全性设计、三防设计等方面。因为任何方面那怕是最微小疏忽，全部可能造成整个电源瓦解，所以我们应充足认识到电源产品可靠性设计关键性。
2 开关电源电气可靠性设计
2.1 供电方法选择

集中式供电系统各输出之间偏差和因为传输距离不一样而造成压差降低了供电质量，而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能造成系统瘫痪。分布式供电系统因供电单元靠近负载，改善了动态响应特征，供电质量好，传输损耗小，效率高，节省能源，可靠性高，轻易组成N＋1冗余供电系统，扩展功率也相对比较轻易。所以采取分布式供电系统能够满足高可靠性设备要求。
2.2 电路拓扑选择

开关电源通常采取单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式开关管承压在两倍输入电压以上，假如按60％降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为含有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管承压仅为电源最大输入电压，即使按60％降额使用，选择开关管也比较轻易。在高可靠性工程上通常选择这两类电路拓扑。
2.3 控制策略选择

在中小功率电源中，电流型PWM控制是大量采取方法，它较电压控制型有以下优点：逐周期电流限制，比电压型控制愈加快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载和短路保护；优良电网电压调整率；迅捷瞬态响应；环路稳定，易赔偿；纹波比电压控制型小得多。生产实践表明电流控制型50W开关电源输出纹波在25mV左右，远优于电压控制型。

硬开关技术因开关损耗限制，开关频率通常在350kHz以下，软开关技术是应用谐振原理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提升到兆赫级水平，这种应用软开关技术变换器综合了PWM变换器友好振变换器二者优点，靠近理想特征，如低开关损耗、恒频控制、适宜储能元件尺寸、较宽控制范围及负载范围，不过此项技术关键应用于大功率电源，中小功率电源中仍以PWM技术为主。
2.4 元器件选择
因为元器件直接决定了电源可靠性，所以元器件选择很关键。元器件失效关键集中在以下四个方面：
（1)制造质量问题

质量问题造成失效和工作应力无关。质量不合格能够经过严格检验加以剔除，在工程应用时应选择定点生产厂家成熟产品，不许可使用没有经过认证产品。
（2)元器件可靠性问题

元器件可靠性问题即基础失效率问题，这是一个随机性质失效，和质量问题区分是元器件失效率取决于工作应力水平。在一定应力水平下，元器件失效率会大大下降。为剔除不符合使用要求元器件，包含电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、稳定性差、早期失效等，应进行筛选试验，这是一个非破坏性试验。经过筛选可使元器件失效率降低1～2个数量级，当然筛选试验代价(时间和费用)很大，但综合维修、后勤保障、整架联试等还是合算，研制周期也不会延长。电源设备关键元器件筛选试验通常要求：
①电阻在室温下按技术条件进行100％测试，剔除不合格品。
②一般电容器在室温下按技术条件进行100％测试，剔除不合格品。
③接插件按技术条件抽样检测多种参数。
④半导体器件按以下程序进行筛选：
目检→初测→高温贮存→高低温冲击→电功率老化→高温测试→低温测试→常温测试
筛选结束后应计算剔除率Q
Q=(n / N)×100%
式中：N——受试样品总数；
n——被剔除样品数；
假如Q超出标准要求上限值，则本批元器件全部不准上机，并按相关要求处理。
在符合标准要求时，则将筛选合格元器件打漆点标注，然后入专用库房供装机使用。
（3)设计问题
首先是合适地选择适宜元器件：
①尽可能选择硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。
②多采取集成电路，降低分立器件数目。
③开关管选择MOSFET能简化驱动电路，降低损耗。
④输出整流管尽可能采取含有软恢复特征二极管。
⑤应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装器件。严禁选择塑料封装器件。
⑥集成电路必需是一类品或是符合MIL－M－38510、MIL－S－19500标准B－1以上质量等级军品。
⑦设计时尽可能少用继电器，确有必需时应选择接触良好密封继电器。
⑧标准上不选择电位器，必需保留应进行固封处理。
⑨吸收电容器和开关管和输出整流管距离应该很近，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器含有高频低损耗和耐高温特征。

在潮湿和盐雾环境下，铝电解电容会发生外壳腐蚀、容量漂移、漏电流增大等情况，所以在舰船和潮湿环境，最好不要用铝电解电容。因为受空间粒子轰击时，电解质会分解，所以铝电解电容也不适适用于航天电子设备电源中。

钽电解电容温度和频率特征很好，耐高低温，储存时间长，性能稳定可靠，但钽电解电容较重、容积比低、不耐反压、高压品种(>125V)较少、价格昂贵。
相关降额设计：

电子元器件基础失效率取决于工作应力(包含电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等)。除部分低应力失效元器件外，其它均表现为工作应力越高，失效率越高特征。为了使元器件失效率降低，所以在电路设计时要进行降额设计。降额程度，除可靠性外还需考虑体积、重量、成本等原因。不一样元器件降额标准亦不一样，实践表明，大部分电子元器件基础失效率取决于电应力和温度，所以降额也关键是控制这两种应力，以下为开关电源常见元器件降额系数：
①电阻功率降额系数在0.1～0.5之间。
②二极管功率降额系数在0.4以下，反向耐压在0.5以下。
③发光二极管电压降额系数在0.6以下，功率降额系数在0.6以下。
④功率开关管电压降额系数在0.6以下，电流降额系数在0.5以下。
⑤一般铝电解电容和无极性电容电压降额系数在0.3～0.7之间。
⑥钽电容电压降额系数在0.3以下。
⑦电感和变压器电流降额系数在0.6以下。
（4)损耗问题

损耗引发元器件失效取决于工作时间长短，和工作应力无关。铝电解电容长久在高频下工作会使电解液逐步损失，同时容量亦同时下降，当电解液损失40％时，容量下降20％；电解液损失0％时，容量下降40％，此时电容器芯子已基础干涸，不能再予使用。为预防发生故障，通常情况下应在图纸上标明铝电解电容器更换时间，到期强迫更换。
2.5 保护电路设置
为使电源能在多种恶劣环境下可靠地工作，应设置多个保护电路，如防浪涌冲击、过压、欠压、过载、短路、过热等保护电路。
3 电磁兼容性(EMC)设计

开关电源因采取脉冲宽度调制(PWM)技术，其脉冲波形呈矩形，上升沿和下降沿均包含大量谐波成份，另外输出整流管反向恢复也会产生电磁干扰(EMI)，这是影响可靠性不利原因，所以使电磁兼容性成为系统关键问题。
产生电磁干扰有三个必需条件：干扰源、传输介质、敏感接收单元，EMC设计就是破坏这三个条件中一个。

对于开关电源而言，关键是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路和输出整流电路。采取技术包含滤波技术、布局和布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等。EMI按传输路径分为传导干扰和辐射干扰。传导噪声频率范围很宽，从10kHz～30MHz，我们即使知道产生干扰原因，但从效率上来讲，经过控制脉冲波形上升和下降时间来处理未必是一个好措施，处理措施之一是加装电源EMI滤波器、输出滤波器及吸收电路，参见图2。电源EMI滤波器实际上是一个低通滤波器，它毫无衰减地把50Hz或400Hz交流电能传输给电子设备，却大大衰减传入干扰信号，同时又能抑制设备本身产生干扰信号，预防它窜入电网，危害公网其它设备。选择EMI滤波器是依据插入损耗大小来选择滤波器网络结构和元器件参数，依据实际要求选择额定电压、额定电流、漏电流、绝缘电阻、温度条件等参数。电源EMI滤波器最好安装在机壳电源线进口插座周围。抑制输出噪声对策基础上按10kHz～150kHz、150kHz～10MHz、10MHz以上三个频段来处理。10kHz～150kHz范围内关键是常态噪声，通常采取通用LC滤波器来处理。150kHz～10MHz范围内关键是共模成份噪声，通常采取共模抑制滤波器来处理。共模扼流圈要采取导磁率高、频率特征较佳铁氧体磁性材料，电感量在（1～2）mH、电容量在3300pF～4700pF之间，假如控制低频段噪声，能够合适加大LC取值。在10MHz以上频率段对策是改善滤波器外形。输出整流二极管反向恢复也会引发电磁干扰，这种情况能够采取RC吸收电路来抑制电流上升率，通常R在(2～20)Ω之间，C在1000pF～10nF之间，C应选择高频瓷介电容。
良好布局和布线技术也是控制噪声一个关键手段。为降低噪声发生和预防由噪声造成误动作，应注意以下几点：
①尽可能缩小由高频脉冲电流所包围面积。
②缓冲电路尽可能贴近开关管和输出整流二极管。
③脉冲电流流过区域远离输入输出端子，使噪声源和出口分离。
④控制电路和功率电路分开，采取单点接地方法，大面积接地轻易引发天线作用，所以提议不要采取大面积接地方法。
⑤必需时能够将输出滤波电感安置在地回路上。
⑥采取多只低ESR（等效串联电阻）电容并联滤波。
⑦采取铜箔进行低感低阻配线。
⑧相邻印制线之间不应有过长平行线，走线尽可能避免平行，采取垂直交叉方法，线宽不要突变，也不要忽然拐角。严禁环形走线。
⑨滤波器输入和输出线必需分开。严禁将开关电源输入线和输出线捆扎在一起。

对于辐射干扰关键应用密封屏蔽技术，在结构上实施电磁封闭，要求外壳各部分之间含有良好电磁接触，以确保电磁连续性。现在为降低重量大全部采取铝合金外壳，但铝合金导磁性能差，因另外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆，内壁贴覆高导磁率屏蔽材料。外壳永久连接处用导电胶粘牢或采取连续焊缝结构，需拆卸能够用导电橡胶条压紧来确保电磁连续性。导电材料要求导电性能高、有弹性、含有最小宽厚比。
4 电源设备可靠性热设计

除了电应力之外，温度是影响设备可靠性最关键原因。电源设备内部温升将造成元器件失效，当温度超出一定值时，失效率将呈指数规律增加，温度超出极限值时将造成元器件失效。国外统计资料表明电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10％；温升50℃时寿命只有温升25℃时1/6。需要在技术上采取方法限制机箱及元器件温升，这就是热设计。热设计标准，一是降低发烧量，即选择更优控制方法和技术，如移相控制技术、同时整流技术等，另外就是选择低功耗器件，降低发烧器件数目，加大加粗印制线宽度，提升电源效率。二是加强散热，即利用传导、辐射、对流技术将热量转移，这包含采取散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法。

强迫风冷散热量比自然冷却大十倍以上，不过要增加风机、风机电源、联锁装置等，这不仅使设备成本和复杂性增加，而且使系统可靠性下降，另外还增加了噪声和振动，所以在通常情况下应尽可能采取自然冷却，而不采取风冷、液冷之类冷却方法。在元器件布局时，应将发烧器件安放在下风位置或在印制板上部，散热器采取氧化发黑工艺处理，以提升辐射率，不许可用黑漆涂覆。喷涂三防漆后会影响散热效果，需要合适加大裕量。散热器安装器件平面要求光滑平整，通常在接触面涂上硅脂以提升导热率。变压器和电感线圈应选择较粗导线来抑制温升。
5 安全性设计

对于电源而言，安全性一向被确定为最关键性能之一，不安全产品不仅不能完成要求功效，而且还有可能发生严重事故，造成机毁人亡巨大损失。为确保产品含有相当高安全性，必需进行安全性设计。电源产品安全性设计内容关键是预防触电和烧伤。

对于商用设备市场，含有代表性安全标准有UL、CSA、VDE等，内容因用途而异，许可泄漏电流在0.5mA～5mA之间，中国军用标准GJB1412要求泄漏电流小于5mA。电源设备对地泄漏电流大小取决于EMI滤波器电容Cy容量，图2所表示。从EMI滤波器角度出发电容Cy容量越大越好，但从安全性角度出发电容Cy容量越小越好，电容Cy容量依据安全标准来决定。若电容Cx安全性能欠佳，电网瞬态尖峰出现时可能被击穿，它击穿即使不危及人身安全，但会使滤波器丧失滤波功效。为了预防误触电，插头座标准上产品端(非电源端)为针，电网端(电源端)为孔；电源设备之输入端为针，输出端为孔。

为了预防烧伤，对于可能和人体接触暴露部件(散热器、机壳等)，当环境温度为25℃时，其最高温度不应超出60℃，面板和手动调整部分最高温度不超出50℃。
6 三防设计
三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。

在设计时，对于密封有要求元器件应采取密封方法；对于不可修复组合装置可采取环氧树脂灌封；所用元器件、原材料吸湿度应较小，不得使用含有棉、麻、丝等易霉制品；对密封机箱、机柜应设置防护网，以防昆虫和啮齿动物进入；直接暴露在大气中装置外顶部不应采取凹陷结构，避免积水造成腐蚀；能够选择耐蚀材料，再经过镀、涂或化学处理使电子设备及其零部件表面覆盖一层金属或非金属保护膜，隔离周围介质；在结构上采取密封或半密封形式来隔绝外部不利环境；对印制板及组件表面涂覆专用三防清漆能够有效地避免导线之间电晕、击穿，提升电源可靠性；电感、变压器应进行浸漆、端封，以防潮气进入引发短路事故。
7 结语

以上提议只适适用于军用电源，对于商用和工业用产品能够在一些方面作出不一样选择。总而言之，电源设备可靠性高低，不仅和电气设计，而且同元器件、结构、装配、工艺、加工质量等方面相关。可靠性是以设计为基础，在实际工程应用上，还应经过多种试验取得反馈数据来完善设计，深入提升电源可靠性。