開關電源可靠性設計探討

摘 要:開關電源在家電、交通、軍事、航天等領域得到了普遍應用，在人類生產、生活中使用得越來越廣泛，用途越來越多。隨著電源技術和元器件的不斷發展，人們對開關電源產品的設計和研發提出了更高的要求，其中高可靠性就是關鍵之一。

關鍵詞:可靠性;電氣設計;熱設計;三防設計

中圖分類號:TB

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)09-0325-01

近年來，電源設備日趨復雜，元器件的品種和數量增加十分快，使用環境也變得惡劣多樣，所服務的電子系統又越來越重要和昂貴。以開關電源為例，已廣泛地應用于車載、機載、地面的軍用裝備及航空航天、交通和通信系統等方面。電源需要日夜不停地連續運行，還要經受高、低溫以及高濕、沖擊等考驗，運行中往往不允許檢修或只能從事簡單的維護。這一切使得開關電源的可靠性設計變得刻不容緩。

1 電氣設計

1.1 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量，而且應用單臺電源供電，當電源發生故障時可能導致系統癱瘓。分布式供電系統供電單元靠近負載，改善了動態響應特性，供電質量好，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，所以分布式供電系統可以滿足高可靠性設備的要求。

1.2 電路拓撲的選擇

開關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、推挽式、半橋式等多種拓撲。單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式開關管的承受電壓在兩倍輸入電壓以上，如果按60%降額使用，則使開關管不易選型。在推挽和全橋拓撲中可能出現單向偏磁飽和，使開關管損壞。雙管正激式和半橋電路開關管的承受電壓僅為電源的最大輸入電壓，選用開關管比較容易。在高可靠性工程上一般采用這兩種電路拓撲。

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1.3 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，它較電壓型控制有如下優點:逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會因過電流而使開關管損壞，大大減小了過載與短路故障;具有優良的電網電壓調整率和快速的瞬態響應;環路穩定，易補償;紋波比電壓控制型小得多。實踐表明，電流控制型的50W開關電源的輸出紋波在25mV左右。

硬開關技術因開關損耗的限制，開關頻率一般在350kHz以下，軟開關技術應用諧振原理，實現開關損耗為零，從而可以將開關頻率提高到兆赫級水平。這種應用軟開關技術的變換器綜合PWM變換器和諧振變換器兩者的優點，接近理想的特性，如低開關損耗、恒頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制范圍，但此項技術主要應用于大功率開關電源中，中小功率開關電源仍以PWM技術為主。

1.4 元器件的選用

元器件直接決定了開關電源的可靠性，所以它的選用顯得非常重要。

(1)盡量選用硅半導體器件。

(2)多采用集成電路，少用分立元件的電路。

(3)開關管選用MOSFET能簡化驅動電路，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)應選用金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件，禁止選用塑料封裝的器件。

(6)原則上不選用電位器，必須保留的應進行固封處理。

(7)盡量少用繼電器，確有必要時選用密封繼電器。

(8)吸收電容器與開關管和輸出整流管的距離應當很近，因流過高頻電流，故易升溫，元器件所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。

1.5 降額設計

電子元器件的基本失效力取決于工作應力。除個別低應力失效的元器件外，多數表現為工作應力越高，失效率越高的特性。為了使元器件的失效率降低，在電路設計時要進行降額設計，不同的元器件降額標準是不同的。開關電源常用元器件的降額系數可查閱相關資料。

另外，為了使開關電源能在各種惡劣環境下可靠工作，應設置多種保護電路，如過壓保護電路、欠壓保護電路、過載保護電路、短路保護電路等。

2 熱設計

開關電源的耐熱性能不僅直接關系到它的可靠性和使用壽命，而且還直接關系到發生火災的危險程度，所以溫度是影響開關電源可靠性的一個重要因素。開關電源的熱源主要是高頻變壓器、開關功率晶體管、整流輸出二極管以及濾波用的電解電容。實踐表明，開關電源內部的溫升將導致元器件失效，當溫度超過一定值時，失效率將呈指數規律增加。開關電源熱設計的原則有:

(1)減少發熱量，選用更優的控制方式和技術(如移相控制技術)，選用低功耗的器件，減少發熱元件的數量，加大加粗印制線的寬度，提高開關電源效率。

(2)加強散熱，利用傳導、輻射、對流技術將熱量轉移，包括采用散熱器、風冷(自然對流和強迫風冷)、液冷和熱管等方法。

強迫風冷的散熱量比自然冷卻大10倍以上，但是要增加風機、風機電源、連鎖裝置等。這不僅使開關電源的成本和復雜性增加，而且還會使系統的可靠性下降，因而一般盡量采用自然冷卻，而不是風冷、液冷之類的冷卻方式。在元器件布局時，應將發熱器件安放在下風位置或印制板的上部，散熱器采用氧化發黑工藝處理以提高輻射率。變壓器和電感線圈應選用較粗的導線來抑制溫升。

3 安全性設計

對于電源而言，安全性從來都是被確定為最重要的性能之一，不安全的產品不但不能完成規定的功能，而且還有可能發生嚴重事故，造成機毀人亡的巨大損失。為保證電源產品具有相當高的安全性，必須進行安全性設計。電源安全性設計的主要內容是防止觸電和燒傷。

為防止使用者觸電，必須對開關電源進行隔離和絕緣。

(1)距離要求:既要縮小體積又要滿足要求。

對開關電源的帶電部分及帶電與不帶電金屬部分之間提出了有安全保證的空間距離要求。一般要求高于250V交流電壓的的火線與零線以及高壓導線與不帶電的金屬部分之間，除了勵磁繞組的線端都必須有2.5mm的距離外，交流輸入線與地線之間要求有3mm的凈空距離。要求電源的輸入部分與輸出部分之間的凈空距離為8mm。變壓器的初級與次級之間也要10mm的凈空距離。

(2)漏電要求:必須符合國際標準。

要求所有暴露的不帶電的金屬部分必須接地。如果只通過一只1.5kΩ電阻接地，所測得的漏電流不得大于5uA，整機泄漏電流小于0.5mA。

為防止燒傷，對于可能與人體接觸的暴露部件(散熱器、機殼等)，當環境溫度為25℃時，其最高溫度不應超過60℃。

4 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，對于密封有要求的元器件采取密封措施;對于不可修復的組合裝置，可采用環氧樹脂灌封。所有元器件、原材料的吸濕度應較小，不得使用含有棉、麻、絲等的易霉制品;對密封機箱、機柜應設置防護網，以防止昆蟲和嚙齒動物進入;直接暴露在大氣中的裝置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，再通過鍍、涂或化學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，隔離周圍介質;在結構上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環境;印制板及組件表面涂覆專用的三防清漆，可以有效的避免導線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性;電感和變壓器應進行浸漆、封端，以防潮氣進入引發短路事故。

隨著開關電源控制技術的發展和專用控制芯片的生產，電源電路大幅度簡化，提高了開關電源的可靠性。另外新型半導體器件的問世和電路的集成化發展，減少了外部連線和焊接，縮小了電源體積，也大大提高了電源的可靠性。

參考文獻

[1]丁道宏.國內外開關電源的技術與市場[J].電子產品世界，1999，(2).

[2]張占三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社，2003.