開關(guān)電源可靠性設(shè)計(jì)探討

摘 要:開關(guān)電源在家電、交通、軍事、航天等領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用，在人類生產(chǎn)、生活中使用得越來(lái)越廣泛，用途越來(lái)越多。隨著電源技術(shù)和元器件的不斷發(fā)展，人們對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)提出了更高的要求，其中高可靠性就是關(guān)鍵之一。

關(guān)鍵詞:可靠性;電氣設(shè)計(jì);熱設(shè)計(jì);三防設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)09-0325-01

近年來(lái)，電源設(shè)備日趨復(fù)雜，元器件的品種和數(shù)量增加十分快，使用環(huán)境也變得惡劣多樣，所服務(wù)的電子系統(tǒng)又越來(lái)越重要和昂貴。以開關(guān)電源為例，已廣泛地應(yīng)用于車載、機(jī)載、地面的軍用裝備及航空航天、交通和通信系統(tǒng)等方面。電源需要日夜不停地連續(xù)運(yùn)行，還要經(jīng)受高、低溫以及高濕、沖擊等考驗(yàn)，運(yùn)行中往往不允許檢修或只能從事簡(jiǎn)單的維護(hù)。這一切使得開關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)變得刻不容緩。

1 電氣設(shè)計(jì)

1.1 供電方式的選擇

集中式供電系統(tǒng)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(zhì)量，而且應(yīng)用單臺(tái)電源供電，當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。分布式供電系統(tǒng)供電單元靠近負(fù)載，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，供電質(zhì)量好，傳輸損耗小，效率高，節(jié)約能源，可靠性高，容易組成N+1冗余供電系統(tǒng)，擴(kuò)展功率也相對(duì)比較容易，所以分布式供電系統(tǒng)可以滿足高可靠性設(shè)備的要求。

1.2 電路拓?fù)涞倪x擇

開關(guān)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?fù)?。單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式開關(guān)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(guān)管不易選型。在推挽和全橋拓?fù)渲锌赡艹霈F(xiàn)單向偏磁飽和，使開關(guān)管損壞。雙管正激式和半橋電路開關(guān)管的承受電壓僅為電源的最大輸入電壓，選用開關(guān)管比較容易。在高可靠性工程上一般采用這兩種電路拓?fù)洹?/p>



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(yōu)點(diǎn):逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會(huì)因過(guò)電流而使開關(guān)管損壞，大大減小了過(guò)載與短路故障;具有優(yōu)良的電網(wǎng)電壓調(diào)整率和快速的瞬態(tài)響應(yīng);環(huán)路穩(wěn)定，易補(bǔ)償;紋波比電壓控制型小得多。實(shí)踐表明，電流控制型的50W開關(guān)電源的輸出紋波在25mV左右。

硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率一般在350kHz以下，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用諧振原理，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可以將開關(guān)頻率提高到兆赫級(jí)水平。這種應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)的變換器綜合PWM變換器和諧振變換器兩者的優(yōu)點(diǎn)，接近理想的特性，如低開關(guān)損耗、恒頻控制、合適的儲(chǔ)能元件尺寸、較寬的控制范圍，但此項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于大功率開關(guān)電源中，中小功率開關(guān)電源仍以PWM技術(shù)為主。

1.4 元器件的選用

元器件直接決定了開關(guān)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(dǎo)體器件。

(2)多采用集成電路，少用分立元件的電路。

(3)開關(guān)管選用MOSFET能簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，減少損耗。

(4)輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管。

(5)應(yīng)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(yīng)進(jìn)行固封處理。

(7)盡量少用繼電器，確有必要時(shí)選用密封繼電器。

(8)吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過(guò)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(shè)計(jì)

電子元器件的基本失效力取決于工作應(yīng)力。除個(gè)別低應(yīng)力失效的元器件外，多數(shù)表現(xiàn)為工作應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，不同的元器件降額標(biāo)準(zhǔn)是不同的。開關(guān)電源常用元器件的降額系數(shù)可查閱相關(guān)資料。

另外，為了使開關(guān)電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠工作，應(yīng)設(shè)置多種保護(hù)電路，如過(guò)壓保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、過(guò)載保護(hù)電路、短路保護(hù)電路等。

2 熱設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的耐熱性能不僅直接關(guān)系到它的可靠性和使用壽命，而且還直接關(guān)系到發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)程度，所以溫度是影響開關(guān)電源可靠性的一個(gè)重要因素。開關(guān)電源的熱源主要是高頻變壓器、開關(guān)功率晶體管、整流輸出二極管以及濾波用的電解電容。實(shí)踐表明，開關(guān)電源內(nèi)部的溫升將導(dǎo)致元器件失效，當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí)，失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加。開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的原則有:

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

(2)加強(qiáng)散熱，利用傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，包括采用散熱器、風(fēng)冷(自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷)、液冷和熱管等方法。

強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱量比自然冷卻大10倍以上，但是要增加風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電源、連鎖裝置等。這不僅使開關(guān)電源的成本和復(fù)雜性增加，而且還會(huì)使系統(tǒng)的可靠性下降，因而一般盡量采用自然冷卻，而不是風(fēng)冷、液冷之類的冷卻方式。在元器件布局時(shí)，應(yīng)將發(fā)熱器件安放在下風(fēng)位置或印制板的上部，散熱器采用氧化發(fā)黑工藝處理以提高輻射率。變壓器和電感線圈應(yīng)選用較粗的導(dǎo)線來(lái)抑制溫升。

3 安全性設(shè)計(jì)

對(duì)于電源而言，安全性從來(lái)都是被確定為最重要的性能之一，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規(guī)定的功能，而且還有可能發(fā)生嚴(yán)重事故，造成機(jī)毀人亡的巨大損失。為保證電源產(chǎn)品具有相當(dāng)高的安全性，必須進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)。電源安全性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是防止觸電和燒傷。

為防止使用者觸電，必須對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行隔離和絕緣。

(1)距離要求:既要縮小體積又要滿足要求。

對(duì)開關(guān)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(dǎo)線與不帶電的金屬部分之間，除了勵(lì)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(jí)與次級(jí)之間也要10mm的凈空距離。

(2)漏電要求:必須符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

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

為防止燒傷，對(duì)于可能與人體接觸的暴露部件(散熱器、機(jī)殼等)，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，其最高溫度不應(yīng)超過(guò)60℃。

4 三防設(shè)計(jì)

三防設(shè)計(jì)是指防潮設(shè)計(jì)、防鹽霧設(shè)計(jì)和防霉菌設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于密封有要求的元器件采取密封措施;對(duì)于不可修復(fù)的組合裝置，可采用環(huán)氧樹脂灌封。所有元器件、原材料的吸濕度應(yīng)較小，不得使用含有棉、麻、絲等的易霉制品;對(duì)密封機(jī)箱、機(jī)柜應(yīng)設(shè)置防護(hù)網(wǎng)，以防止昆蟲和嚙齒動(dòng)物進(jìn)入;直接暴露在大氣中的裝置外頂部不應(yīng)采用凹陷結(jié)構(gòu)，避免積水導(dǎo)致腐蝕;可以選用耐蝕材料，再通過(guò)鍍、涂或化學(xué)處理使電子設(shè)備及其零部件的表面覆蓋一層金屬或非金屬保護(hù)膜，隔離周圍介質(zhì);在結(jié)構(gòu)上采用密封或半密封形式來(lái)隔絕外部不利環(huán)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(dǎo)線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性;電感和變壓器應(yīng)進(jìn)行浸漆、封端，以防潮氣進(jìn)入引發(fā)短路事故。

隨著開關(guān)電源控制技術(shù)的發(fā)展和專用控制芯片的生產(chǎn)，電源電路大幅度簡(jiǎn)化，提高了開關(guān)電源的可靠性。另外新型半導(dǎo)體器件的問(wèn)世和電路的集成化發(fā)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(xiàn)

[1]丁道宏.國(guó)內(nèi)外開關(guān)電源的技術(shù)與市場(chǎng)[J].電子產(chǎn)品世界，1999，(2).

[2]張占三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.