開關電源可靠性設計研究

合肥威師智能電子電器廠　葛　坤　沈軍霞

開關電源可靠性設計研究

合肥威師智能電子電器廠葛坤沈軍霞

開關電源是近些年來應用十分普遍的新式電源，它相比傳統電源擁有著占空間小、效率高等優勢。開關電源的可靠性研究是確保設備正常工作的保證，本文中筆者主要通過對開關電源可靠性設計指標的解讀，引出對開關電源可靠性設計的分析與研究思路。

開關電源；可靠性指標；可靠性設計

引言

隨著工業技術的飛速發展，電源設備的結構也越來越復雜。開關電源作為應用最為普遍的新式電源，其使用環境也日趨多樣化，時常會遇到高濕度、高溫、低溫等工作環境，并且開關電源需要連續運行較長時間，這對開關電源性能的可靠性提出了較高的要求。

1.可靠性設計指標

評價一種電器元件的可靠性在國際上有很多標準，其中既包含定量的標準也包含定性的標準，而且有時也需要通過多種不同的評價指標來衡量某種產品的可靠性。在這些評價指標中，最為常用的指標如下：

（1）MTBF指標，表示平均故障間隔指標，是指平均出現兩次故障之間的正常工作時間，也被稱為無故障工作時間指標。一般來說，MTBF的數值等于總工作時間與在此期間出現的故障數之比；平均故障間隔指標是衡量電器元件產品可靠性的重要標準，其數值越大則表明該電器元件產品的可靠性程度越高。

（2）失效率指標，這項指標代表著產品在一定時間內產生故障的次數，失效率的數值越小則代表該產品的可靠性程度越高。失效率指標和平均故障間隔指標都是評價產品可靠性的“概率性”關鍵性標準與“標尺”。

2.開關電源可靠性設計

2.1電氣可靠性設計

對于開關電源電氣的可靠性設計主要有供電方式的選擇、電路拓撲的選用、功率因數校正、控制策略的選取、設計過程元器件的選擇以及降額設計六個方面。

（1）供電方式的選擇。供電方式主要分為集中式供電方式以及分布式供電方式。分布式供電方式具有著效率高、節能、質量高、功率擴展較為簡便等優勢，可以滿足具有高可靠性的設備需求，因此當前電力電子系統大多都選擇了分布式供電方式來滿足日常運行需要。

（2）電路拓撲的選用。開關電源運用的拓撲有多種，而在高可靠性設備中大多運用的是雙管正激式以及半橋電路式兩種電路拓撲，因為這兩種電路拓撲可以實現自動抗不平衡，并且在60%以下的降額情況下，其開關管的選型也相對方便。

（3）功率因素校正。可選取擁有功率因素校正功能的開關電源來克服諧波電流污染電網的現象，降低事故發生的頻率，提升了產品的可靠性。

（4）控制策略的選取。對于大功率電源一般選取軟開關技術，具有較低的開關損失、控制范圍較寬、負載范圍較大等優點。而對于小功率或是中等功率的電源大多還是選用了PWM控制技術，PWM控制技術具有著電壓控制速度快、環路穩定性高、短路故障少等優點。

（5）設計過程中元器件的選擇。因為元器件對于電源可靠性好壞具有著重要的決定作用，因此在設計過程中對元器件的合理選擇也是十分必要的。對于元器件的選擇主要包括：選擇的元器件制造質量要合乎標準、進行篩選試驗并選擇高可靠性的元器件、嚴格按照元器件的選用原則來進行選擇、結合使用環境對元器件的要求來進行選擇等環節。

（6）降額設計。為了解決某些元器件失效率較高的問題，在電路設計的過程中需要進行降額設計。經過大量實驗可以得出，大多數元器件的失效率與電應力以及溫度關系較大，所以降額設計的控制重心也應放在電應力和溫度上。

2.2可靠性熱設計

溫度是決定開關電源可靠性的一大重要因素，當設備的內部溫度過高時將可能會引起一些對溫度反應敏感的元器件失靈狀況，并且長時間在較高溫度下工作會大大降低電子元器件的使用壽命。解決這個問題主要從控制設備的發熱量以及加強散熱兩個方面進行控制。

控制設備發熱量可以采取更加合適的控制技術來減少設備運行時造成的損耗，從而減少發熱量，并且設計時要選用低功耗的部件并且合理減少發熱源的數目，在變壓器等的設計中可以采取應用較粗導線來減低電阻較少發熱。

加強散熱的方法主要有安裝散熱器、自然對流、水冷油冷以及電制冷等，其中安裝散熱器一般是利用熱傳遞以及熱對流的原理，發熱源將熱量傳遞至散熱器，再由散熱器以對流換熱的形式排出設備。強迫風冷的散熱效果雖然十分顯著，是自然冷的十倍以上，但是由于增加了風機等設備，使得設備更為復雜并且提升了成本，并且產生了多余的噪聲和振動，因此在大多數情況下應用較少，但是在部分特殊要求的設備中仍有應用。

2.3安全性設計

電源的安全性一直以來都是設計人員最為重視的性能，不具備足夠安全性的電源產品不但使得正常工作得不到保障，而且還可能會引發巨大的事故，造成重大損失。因此對電源產品進行安全性設計是十分必要的，其設計的主要內容包含了避免觸電和燒傷等保護措施；關系到電源產品對地漏電量大小的主要因素是EMI濾波器電容量的高低，如圖1所示，從開關電源設備安全性的角度出發，濾波器電容的容量越小安全性能越高；但是從濾波器來看，其電容容量越大則性能越好。因此在實際設計當中，一般根據安全標準來對EMI濾波器的電容容量進行設計。在避免燒傷的設計方面，在設計時就需要注意當環境溫度在25攝氏度左右時，設備的最高溫度不易高于60攝氏度，與人體直接接觸的部位溫度不宜高于50攝氏度。

圖1　EMI濾波器示意圖

2.4三防設計

電子設備在潮濕的環境中工作時，其表面常常會吸附空氣中的水分形成一層水膜，當這個濕水層的厚度超過二十分子層厚度時，就會成為具有化學腐蝕性的電解質膜，會導致元器件受到腐蝕發霉或是產生銅綠，并且這樣的環境也為霉菌的繁殖提供了較好的條件。因此在我國沿海地區以及長江流域以南地區都應當進行開關電源的三防設計。具體來說，三防設計的內容包括防潮濕、防鹽霧以及防霉菌設計等。在進行開關電源的三防設計時，元器件的原材料應當具有較低的吸濕度，并且不含容易滋生霉菌的材料，在機柜內應當設置適當的防護網以防止昆蟲等動物的進入，關鍵部件應選用耐腐蝕材料并通過鍍、涂等方式在部件表面形成一層保護膜，使部件與周圍介質隔離開來；在設備的結構上，可以采取封閉或半封閉的結構降低不良環境對設備造成的影響。變壓器等設備可采用浸漆等方法進行處理，防止濕氣影響而發生短路。

2.5抗震性設計

在開關電源設備實際運作中，不當的振動也是引發設備部件故障的重要因素之一，這就要求在開關電源的設計過程中必須進行加固設計。如今應用最多的就是用硅膠來固定電容，給直徑大于12厘米、長度大于25厘米的鋁制電解容器安裝固定夾。

3.結語

開關電源設備在行業中應用普遍，具有極為重要的地位，因此其可靠性也是被研究人員關注的焦點。決定開關電源可靠性高低的因素最重要的是設計因素，除此之外其加工質量、加工工藝以及設備的裝配等方面對開關電源設備的可靠性都有著一定的影響。所以在合理設計的基礎上，開關電源設備的可靠性還有著進一步提高的空間。

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［3］張曉杰，曾照洋，孟令嚴，姜同敏，王曉峰，朱越.服務器開關電源的可靠性測試［A］.中國儀器儀表學會.

葛坤（1979－），男，安徽潛山人，碩士，工程師，研究方向：嵌入式控制。