開關電源的可靠性分析

呂方超，李玉忍，蘭根龍

（西北工業(yè)大學自動化學院，陜西西安 710129）

電源作為一個電子系統(tǒng)中重要的部件，其可靠性決定了整個系統(tǒng)的可靠性。開關電源由于具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、輸出穩(wěn)定靈活等優(yōu)點，在各個領域得到廣泛應用。如何提高它的可靠性是電源技術的一個重要研究方面。

開關電源的可靠性也直接影響到系統(tǒng)制造商的最低成本，是整個系統(tǒng)設備能否正常工作的關鍵。在任何方面，哪怕是最微小的疏忽，都可能導致整個電源的崩潰，所以電源產(chǎn)品的可靠性分析和可靠性設計是非常重要的。

1 開關電源的組成及工作原理

開關電源是一種高頻開關式的能量變換電子電路。開關電源是開關穩(wěn)壓電源的簡稱，用脈寬調(diào)制（PWM）驅動功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比來調(diào)整輸出電壓[1]。開關電源主要由輸入電路、變換電路、控制電路、輸出電路等四個主體組成，具體如圖1所示。

輸入電路可將交流市電轉化為符合要求的開關電源直流輸入電源；變換電路是開關電源中電源變換的主通道，完成對帶有功率的電源波形進行斬波調(diào)制和輸出，這一級的開關功率管是其核心器件；控制電路向驅動電路提供調(diào)制后的矩形脈沖，達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的；輸出電路把輸出電壓整流成脈動直流，并平滑成低紋波直流電壓。

2 影響開關電源可靠性的因素

圖1 開關電源功能原理方框圖

環(huán)境溫度和負載率對開關電源可靠性的影響很大，尤其對元器件的失效率有顯著影響，而元器件又直接決定了電源的可靠性。以下PD為使用功率、PR為額定功率、UD為使用電壓、UR為額定電壓。

2.1 環(huán)境溫度對元器件的影響

環(huán)境溫度對半導體、電容、電阻等元器件的可靠性均有很大影響。如表1所示，當溫度從20℃增加到80℃時，硅三極管（在PD/PR=0.5負荷設計條件下）失效率增加了30倍；電容（在UD/UR=0.65負荷設計條件下）失效率增加了14倍；電阻器（在PD/PR=0.5負荷設計條件下）失效率增加了4倍。

表1 環(huán)境溫度對各元器件可靠性的影響

2.2 負載率對元器件的影響

負載率對元器件失效率的影響同樣很明顯。以電阻器為例，在環(huán)境溫度為50℃條件下，其PD/PR對電阻器失效率的影響如表2所示。當PD/PR=0.8時，失效率比PD/PR=0.2時增加了8倍。

表2 負載率對電阻器可靠性的影晌

同樣，在環(huán)境溫度為50℃條件下，當PD/PR=0.8時，半導體器件失效率比PD/PR=0.2時增加1 000倍。因此，在開關電源的設計和使用時，應盡量避免其負載率過大而導致電源故障。

3 開關電源的可靠性分析

利用開關電源的組成原理，對開關電源系統(tǒng)進行故障模式影響分析（FMEA），定性分析系統(tǒng)潛在的各種故障模式、原因和影響因素，并建立系統(tǒng)的故障樹（FTA）。為簡化計算，利用可靠性框圖，快速預計法檢驗可靠性指標。

3.1 FMEA定性分析

3.1.1 系統(tǒng)正常工作狀態(tài)及失效故障判定

該開關電源正常工作時，能夠穩(wěn)定輸出符合要求的電壓，各項指標均正常。如果其輸出電壓不穩(wěn)定，或輸出值不符合要求（或沒有輸出）則被視為功能失效故障。

3.1.2 FMEA分析中的有關約定

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FMEA是在產(chǎn)品設計中的一個重要環(huán)節(jié)，通過對產(chǎn)品各組成單元潛在的各種故障模式及其對產(chǎn)品功能的影響進行分析，提出可能采取的預防改進措施，以提高產(chǎn)品可靠性[2]。表3是針對該系統(tǒng)進行的嚴酷度等級的約定。

表3 嚴酷度等級

3.1.3 FMEA分析

采用功能法對開關電源進行FMEA，分析的對象是開關電源中的各個功能電路（圖1中所示的各個功能方框單元）的故障模式[3]，分析結果如表4所示。

3.1.4 FMEA結論

嚴酷度為II、III類的故障模式較多，考慮增加對開關電源的冗余設計，選用高質(zhì)量元器件，加強元器件二次篩選，提高電路的穩(wěn)定性。另外，如果對應用了開關電源的系統(tǒng)任務可靠度要求高，可增加一塊電源模塊作為系統(tǒng)的備份設計。

3.2 FTA定性分析

故障樹分析法（FTA）是一種圖形演繹式故障分析方法，它對造成系統(tǒng)失效的各種因素進行自上而下的深入分析，最終找到對應的各種故障原因，即底事件，并用樹狀圖表達出故障和各原因之間的因果關系，具有簡明、直觀、易懂和靈活的特點。故障樹分析法可幫助判明可能發(fā)生的故障模式和原因，為故障“歸零”提供支持。

表4 開關申源功能FMEA分析表

我們研究的開關電源系統(tǒng)故障樹的頂事件為輸出電壓不正常，依次逐級分析建立的故障樹如圖2所示（圖2中所有邏輯門均為或門）。

圖2 開關電源的故障樹分析

3.3 系統(tǒng)的可靠性指標

3.3.1 系統(tǒng)的簡化可靠性模型

根據(jù)圖1，開關電源的簡單可靠性模型可簡化為串聯(lián)模型，如圖3所示。

圖3 開關電源的簡化可靠性模型

式中：λ1為主電路單元（輸入電路、變換電路、輸出電路）的工作失效率；A1為主電路單元在整個電路可靠性分析中的工作失效率的權重；λ2為控制電路單元的工作失效率；A2為控制電路單元在整個電路可靠性分析中的工作失效率的權重。

根據(jù)式（1）可知，首先通過計算可得電路中各個組成單元的工作失效率，在此基礎上根據(jù)各個組成單元對整個電路可靠性影響的大小對權重賦值，代入上式可得總電路的工作失效率。

由于工作過程中，控制電路與主電路相比較，其電路中流過的均為檢測、反饋、比較和控制等小信號，電壓低、電流小，所以在分析該單元工作失效率時，各元器件的電應力變化范圍較小，對工作失效率影響甚小可略，式（1）中A2取值可近似為0。因此在分析電路的總工作失效率時，應主要分析主電路的工作失效率。

3.3.2 快速預計法檢驗可靠性指標

開關電源的可靠性指標，一般用MTBF（平均故障間隔時間）來表示，可由MTBF=1/λ計算得到。通常要求MTBF達到105h以上。

在系統(tǒng)設計初期階段，由于無法了解到各個單元及其元器件的詳細數(shù)據(jù)信息，而不能采取元件計數(shù)法和元件應力分析法。開關電源主電路主要由開關管、續(xù)流二極管、電感線圈和電容等組成，采取簡單枚舉不完全歸納可靠性快速預計方法，通過計算來驗證可靠性指標的可行性，為可靠性分配做準備[4]。

式中：λs表示單板失效率；λ0表示單板中元器件的平均基本失效率，若其中大部分為國產(chǎn)元器件則取λ0=10－6/h，若大部分為進口元器件則取λ0=10－7/h；N表示單板的復雜因子，根據(jù)單板的元器件個數(shù)來確定；K1表示降額設計效果因子，一般K1=10－2～10－1，參照經(jīng)驗一般取 K1=10－1；K2表示環(huán)境應力篩選效果因子，一般K2=0.1～0.5，參照經(jīng)驗這里可取K2=0.5；K3表示環(huán)境影響效果因子，應用環(huán)境不同取值也不同；K4表示機械結構影響因子，若約定不含機械，則其不計算在內(nèi)，故可取K4=1；K5表示制造工藝影響因子，一般K5=1.5～3.5，根據(jù)經(jīng)驗可取K5=2。由此根據(jù)公式，計算出失效率λ，則MTBF=1/λ。將計算結果和可靠性指標對比，若計算的MTBF值大于可靠性指標的105h，則方案滿足設計要求。

4 開關電源的可靠性設計

隨著開關電源的應用領域越來越廣，對它的設計要求也逐步提高。由于比功率的增大和頻率的提高所產(chǎn)生的電磁干擾對電源本身及其周圍電子設備的正常工作都造成威脅。為了確保開關電源及系統(tǒng)可靠地工作，必須進行可靠性設計。

開關電源的設計是一個系統(tǒng)工程，不但需要考慮電源本身的參數(shù)設計，還要考慮電氣設計、元器件選取、電應力設計、保護電路設計、熱設計、電磁兼容性設計、安全性設計、三防設計和抗振設計等因素的影響[5]。尤其是在可靠性分析的基礎上，針對預測的故障模式和薄弱環(huán)節(jié)，加強可靠性設計，以不斷提高電源產(chǎn)品的安全性和可靠性。

5 結束語

在開關電源設計時進行FMEA，并對主要故障原因進行FTA，可找出設計中的缺陷和可靠性薄弱環(huán)節(jié)，特別是能引起高嚴酷度的故障模式，為電路設計改進提供依據(jù)，也能為電源模塊的維修性、測試性及維修工作分析提供依據(jù)，并提高了電源模塊的可靠性。

同時，開關電源的可靠性高低，不僅與電氣設計有關，還與元器件、結構、裝配、工藝、加工質(zhì)量等方面有關。在實際工程應用上，還應通過各種實驗取得反饋數(shù)據(jù)來完善設計，進一步提高開關電源可靠性。

[1]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：1-14.

[2]羅勇.FMEA技術在電源模塊設計中的應用[J].質(zhì)量與可靠性，2009(5)：37-40.

[3]金偉婭，張康達.可靠性工程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005：177-189.

[4]占偉.Buck DC-DC開關變換器的可靠性分析與應用[D].西安：西安科技大學，2008：46-48.

[5]聶世剛.加固計算機用開關電源的可靠性設計[J].可靠性設計與工藝控制，2006(2)：21-25.