開關電源設計引發的“六性”問題

王俊粉

（西安偉京電子制造有限公司，陜西 西安 710076）

0 引言

在當今這個工業不斷發展的時代，幾乎所有的電子設備都需要恒壓電源或者恒流電源進行電力的供應，進行電源設計已經成為保證電子設備功能的重要手段[1]。開關電源由于其自身性能強大，并且尺寸較小、效率較高，受到了市場的青睞，進行了不同模式和形態的開發。但是在進行此類電源的設計當中，也逐漸出現了一些需要關注的問題。

1 開關電源的主要分類

1.1 開關電源的概念

開關電源就是利用電子開關器件如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等，通過PWM控制電路，使電子開關器件不停地“接通”和“關斷”，把輸入的直流電壓轉化為幅值等于輸入電壓幅值的高頻脈沖電壓來實現的。脈沖的占空比由開關電源的控制器PWM來調節，輸入電壓被轉化為交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低，通過增加變壓器的二次繞組數就可以增加輸出的電壓組數，最后這些交流波形經過整流濾波后就得到直流輸出電壓。此類電源可以使用開關晶體管的電路來進行能量的輸出，并且主要負責的就是進行能量的傳輸工作。該電源內置芯片，并且其芯片中的功率管在開關狀態下的等效電阻較小，因此在大電流通過之后不同擔心有較多的消耗問題[2]。

1.2 開關電源的主要分類

根據電源變壓器磁芯工作的方式不同，開關電源分為：反激式、正激式、推挽式、半橋式、全橋式。與推挽式變壓器工作方式一樣，其中反激式電源電路結構簡單、成本低，尤其適合制作小功率電源，下面介紹反激開關電源的工作原理。

1.3 反激開關電源原理

反激變換器的基本電路圖如圖1所示。

圖1 反激開關電源原理圖

工作原理如下：開關管Q的VGS為高電平時，Q導通，輸入電壓加在變壓器Np的兩端，整流二極管D反向截止，輸出電容C給負載供電，T相當于一個純電感，流過Np的電流線性上升，達到峰值Ipmax。當開關管Q的VGS為低電平時，Q關斷，變壓器繞組Ns反激電壓使輸出二極管D進入導通狀態，同時初級存儲的能量傳送到次級，次級電流Is波形如1圖，提供負載電流，同時給輸出電容充電。

1.4 開關電源基本特點

（1）具有功率消耗較小、效率高的特點。此類電源工作電流在開關管和續流二極管之間進行循環，開關管導通，其電壓較低，電源的功耗小，效率較高。

（2）此類電源具有體積小、重量輕的特點。根據上圖的電源構造可知，此類電源并沒有使用傳統電源的工頻變壓器，而使用高頻變壓器。輸出同樣功率，高頻變壓器的體積與工頻變壓器相比成倍減小。另外電源效率相對較高，功率器件的發熱相對較少，因此不需要較大的散熱片或較大的殼體進行散熱，功率器件的封裝尺寸也可選擇相對較小的。由于此類電源的設計特點，在設計當中會向輕量化和尺寸小的方向發展[3]。

（3）電源穩壓范圍寬。根據輸入電壓的大小，調節開關管的驅動脈沖寬度，通過改變控制信號的占空比來穩定開關電源輸出電壓，因此該電源具有更高的穩定性。

（4）電路的實現形式具有靈活多樣性。此類電源的變壓器工作方式分為連續模式和斷續模式，變壓器斷續模式適合輸出高電壓、小功率類電源；變壓器連續模式適合輸出低電壓、大電流類電源，可以根據輸出電壓和功率的要求進行靈活的設計來滿足實際的需求。

2 開關電源的“六性”問題

電子設備的“六性”概念來自于GJB901《質量管理體系要求》中的相關內容，包括可靠性、安全性、維修性、測試性、保障性和環境適應性。

2.1 可靠性

可靠性是指當前的系統或者機械設備零部件等能夠在規定的環境條件以及規定的時間之內完成規定的工作的能力。可靠性可以使用可靠度進行表示，指的是在規定的時間和條件之內能夠完成特定工作的概率，能夠衡量某一種產品可靠性水平的大小[4]。

可靠性是對于設備無故障持續工作能力的評價，是體現裝備能夠進行持續工作以及實施極限任務的重要指標。保障設備自身的可靠性，需要在進行產品研發、設計以及制作中使用較好的技術以及較為嚴謹的管理活動。進行電子設備的可靠性設計，需要保障該設備的元器件具有可靠性。

在進行開關電源設計中，可以采用元器件應力分析法進行可靠性預計，以GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》作為電源的可靠性預計的依據。主要表現在其自身使用的元器件以及原材料的合理性，如元器件進行合理的電應力、熱應力等其他應力的降額使用。在開關電源設計中，使用簡潔的電源設計結構、高質量等級的元器件，以及對原材料、功率器件進行合理的布局、合理的熱設計、防震、防噪聲、防潮系統均能夠提升電源自身的可靠性。

電源總輸出功率Po，輸入功率PIN，消耗功率P1計算如下：η為電源的效率。

器件到殼體溫升ΔT=Rth×P1，Rth為器件到殼體的熱阻，溫升與熱阻、耗散功率成正比，故熱阻與耗散功率越大溫升越大。

為了有效地提高電源的可靠性，開關電源研制過程中主要解決的問題是減小功率器件的熱阻和損耗，提高效率。

功率器件在滿足功率輸出的前提下，盡量選熱阻小的封裝。功率器件最好緊貼殼體或散熱器，減小功率器件的熱阻，能夠有效地提高電源的可靠性。

開關電源的損耗主要由3部分組成：功率開關管的損耗，高頻變壓器的損耗，輸出整流管的損耗。為了提高開關電源的熱可靠性，設計時將發熱器件均勻分布在開關電源的殼體內，以保證開關電源的熱平衡，從而保證發熱功率器件安全可靠地工作。

半導體器件的結溫對器件自身的可靠性具有極大的影響，在設計中應做好功率發熱器件的散熱設計。功率元器件通過優化電路降低工作功耗、合理布局、大面積鋪銅、降低導熱路徑熱阻、增加散熱面積、灌封膠導熱等多種措施將熱量以能實現的最小溫差導至殼體，以盡可能地降低元器件自身的結溫，確保開關電源在高溫環境下可靠地工作[5]。

2.2 維修性

維修性是指設備能夠在規定的條件以及時間下按照規定的程序和方法進行維修并能夠保持或者恢復當前設備的規定狀態的能力，可以使用維修度進行設備維修性的測量。

維修性是對于設備自身能夠使用維修回復自身功能的能力的評價。維修主要包括修復性維修、預防性維修以及日常保養等。其中，預防性維修主要是對設備中的關鍵構件進行檢查，判定設備是否具有維持其自身功能的能力，一般正常工作的設備應該盡量減少預防性維修。此外，設備還具有固有維修性和使用維修性。固有維修性的主要影響因素為設備自身的設計和制作水平，使用維修性則是設備在進行實際的使用當中所表現出來的能夠進行維修并回復功能的水平。

針對開關電源的維修性設計分為定性要求和定量指標。定性要求是指當前設計的電源產品需要維修便捷、迅速，定量指標則是當前電源出現故障之后的平均修復時間。在進行維修設計時，應該考慮到出現故障之后進行迅速修復的實際效果，以便在出現故障之后能夠迅速快捷地發現出現問題的原因并進行及時的修復。

進行開關電源設計時，其維修性表現在以下幾點：

①簡化維修設計。開關電源設計時考慮產品的工藝性和維修性，包括元器件的安裝位置及安裝方式，同時更加要注重產品的可靠性設計，通過提高產品的長期穩定性和使用壽命，降低產品的故障率，避免維修情況的發生。

②進行可更換性設計。電源在使用中出現故障，為了不影響電子設備正常使用，需要進行及時更換。因此需要進行可簡單更換的設計，提升電源在出現故障之后的可更換性。

③開關電源設計精簡便捷化。在進行電源設計中，注重減少電源自身體積以及重量，方便電源進行拆卸和搬運，提升進行后勤保障的簡便性。

2.3 測試性

測試性是指能夠對產品或者設備及時準確地確定其自身的狀態，并對其內部的故障進行隔離后處理。測試性反映的是設備自身能夠被檢查到出現的故障以及出現故障原因的水平，影響到設備自身測試性能的主要因素包括對設備進行檢測和診斷人員自身的故障檢測水平、輔助檢測維修工具、技術資料以及人員培訓等。

在進行開關電源的設計當中，經常會出現設備不能夠進行正常的工作或者設備在進行工作當中出現輸出電壓不穩定的問題。在出現此類問題之后，設備的可測試性就顯得比較重要。主要使用以下幾點方法提升設備的測試性：①進行產品設計時考慮到產品的測試性；

②設計設備結構，保障設備在不開蓋的情況下能夠進行簡單測試；

③使用標準化測試工具。

2.4 安全性

設備安全性是指設備不會導致人員傷亡、危害人員健康以及環境、對于人員的財產造成破壞或者損壞等，可以總結為設備不發生事故的能力。

安全性是設備重要的特性之一，是設備自身對于人員以及環境所存在的潛在風險的描述，也是在進行設備選擇中需要首先進行考慮的主要因素。在進行設備安全性的表示當中，通常使用不同的等級進行表示，比如使用風險分析法進行設備危險程度的描述為可能發生危險的頻率：A級（頻繁）、B級（很可能）、C級（有時）、D級（極少）、E級（不可能）。

開關電源在進行設計使用的過程中，經常出現的安全性問題為電源設備自身對于電流的絕緣性能以及在進行使用的過程中出現高溫燃燒的可能性。進行開關電源安全性設計中，應該遵循最小風險設計，使用安全裝置、警報裝置，并對于開關電源的安全使用方法進行規范化培訓。在保障電源設備自身的安全性時，可以通過以下設計提升電源安全性：

①設計減少對于危險材料的使用，在進行產品使用中規定工作條件和使用環境，避免使用不當；

②進行不同材料器件的隔離，對使用的原件進行編號，確保連接正常；

③安排專業的人員進行設備的監督保養；

④在設備中添加預警設施；

⑤最小化不能夠排除的風險因素；

⑥通過保障設備自身的結構安全等方式減少電源設備進行使用中出現的安全問題，提升設備的安全性。

⑦在進行開關電源設計中，應該將不能夠避免的風險降低到最小的程度，使用故障安全保護等進行設計，減少風險出現時設備的損傷比例。

2.5 保障性

保障性是指設備自身的設計特性能夠滿足在緊急情況下使用的水平。設備的保障性主要是指設備自身的質量以及配套資源，主要包括設備自身的設計水平以及保障系統的設計兩方面因素。在進行開關電源保障性設計中，尤其是在研發初期就進行保障性分析工作，確定預防性和修復性維修保障資源，積極開展產品綜合保障規劃并進行試驗與評價。

開關電源設備自身的保障性就是該設備能夠在工作任務突然增加的情況之下穩定提供輸出電壓的能力。在進行電源的設計當中，使用以下幾種方式提升設備保障性：

①技術保障。在設備自身保障能力的設計當中，需要將設備設計得足夠簡單方便，使用通用的原材料進行設備的制作，在進行設備的設計當中考慮到設備的使用環境、將設備設計為較小的尺寸并按照國際的標準進行包裝，滿足運輸以及存儲的需求。

②物資保障。需要準備好專用的維修工具、培訓專業的設備維修人員、使用配套的設備技術資料等，提升設備的綜合保障性能。

③生產保障。進行開關電源生產中，使用GJB2438A《混合集成電路通用規范》和SJ20668《為電路模塊總規范》進行電源生產器件的選擇與使用。

④交付保障。在進行交付保障中，使用專用的包裝設備進行包裝，在0～35攝氏度的環境溫度中進行存儲，提升設備的交付保障水平。

2.6 環境適應性

環境適應性是指在設備自身的壽命期間內，在不同的環境作用下能夠保障自身功能以及性能不被破壞的能力。

設備自身的環境適應性主要是指對工作環境的適應，包括機械環境、電磁場環境、生物環境等，在進行設備的結構設計中應該盡量考慮到設備進行工作的工作環境，提升設備自身的適應能力，實現開關電源成本低、可靠性高、壽命較長。

在進行開關電源的設計當中，應該考慮到電源使用的環境，根據設備當前使用的環境使用不同的設計策略提升設備自身的環境適應性。主要有以下幾種策略：

①機械設計。提升對于機械環境的適應可以為設備增加懸掛式結構、使用合理的材料、盡可能地安裝減震器等；

②特殊環境適應設計。對于氣候環境的適應則應該根據不同的氣候環境選擇是哪個密封或者涂漆等提升設備的環境適應性；在進行特殊軍事使用中，還應該使用軍事涂層的方式將電源與周圍環境進行融合，做到較好的隱蔽效果；

③電磁環境適應設計。對于電磁環境的適應則可以使用屏蔽、接地等設計。

3 結語

伴隨開關電源的廣泛使用，在進行電源設計中注重設備自身的“六性”問題能夠進一步優化設備的實際使用功能，提升設備自身的質量。