開(kāi)關(guān)電源的可靠性分析

呂方超，李玉忍，蘭根龍

（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西西安 710129）

電源作為一個(gè)電子系統(tǒng)中重要的部件，其可靠性決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。開(kāi)關(guān)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(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如何提高它的可靠性是電源技術(shù)的一個(gè)重要研究方面。

開(kāi)關(guān)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(gè)系統(tǒng)設(shè)備能否正常工作的關(guān)鍵。在任何方面，哪怕是最微小的疏忽，都可能導(dǎo)致整個(gè)電源的崩潰，所以電源產(chǎn)品的可靠性分析和可靠性設(shè)計(jì)是非常重要的。

1 開(kāi)關(guān)電源的組成及工作原理

開(kāi)關(guān)電源是一種高頻開(kāi)關(guān)式的能量變換電子電路。開(kāi)關(guān)電源是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的簡(jiǎn)稱，用脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)周期性通斷開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)關(guān)元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓[1]。開(kāi)關(guān)電源主要由輸入電路、變換電路、控制電路、輸出電路等四個(gè)主體組成，具體如圖1所示。

輸入電路可將交流市電轉(zhuǎn)化為符合要求的開(kāi)關(guān)電源直流輸入電源；變換電路是開(kāi)關(guān)電源中電源變換的主通道，完成對(duì)帶有功率的電源波形進(jìn)行斬波調(diào)制和輸出，這一級(jí)的開(kāi)關(guān)功率管是其核心器件；控制電路向驅(qū)動(dòng)電路提供調(diào)制后的矩形脈沖，達(dá)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(dòng)直流，并平滑成低紋波直流電壓。

2 影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的因素

圖1 開(kāi)關(guān)電源功能原理方框圖

環(huán)境溫度和負(fù)載率對(duì)開(kāi)關(guān)電源可靠性的影響很大，尤其對(duì)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(duì)元器件的影響

環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)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(dāng)溫度從20℃增加到80℃時(shí)，硅三極管（在PD/PR=0.5負(fù)荷設(shè)計(jì)條件下）失效率增加了30倍；電容（在UD/UR=0.65負(fù)荷設(shè)計(jì)條件下）失效率增加了14倍；電阻器（在PD/PR=0.5負(fù)荷設(shè)計(jì)條件下）失效率增加了4倍。

表1 環(huán)境溫度對(duì)各元器件可靠性的影響

2.2 負(fù)載率對(duì)元器件的影響

負(fù)載率對(duì)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(duì)電阻器失效率的影響如表2所示。當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比PD/PR=0.2時(shí)增加了8倍。

表2 負(fù)載率對(duì)電阻器可靠性的影晌

同樣，在環(huán)境溫度為50℃條件下，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，半導(dǎo)體器件失效率比PD/PR=0.2時(shí)增加1 000倍。因此，在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和使用時(shí)，應(yīng)盡量避免其負(fù)載率過(guò)大而導(dǎo)致電源故障。

3 開(kāi)關(guān)電源的可靠性分析

利用開(kāi)關(guān)電源的組成原理，對(duì)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)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(shù)（FTA）。為簡(jiǎn)化計(jì)算，利用可靠性框圖，快速預(yù)計(jì)法檢驗(yàn)可靠性指標(biāo)。

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(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)，能夠穩(wěn)定輸出符合要求的電壓，各項(xiàng)指標(biāo)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(méi)有輸出）則被視為功能失效故障。

3.1.2 FMEA分析中的有關(guān)約定

有一次，大林臨時(shí)不值班，回家沒(méi)看見(jiàn)一朵。電話打過(guò)去，原來(lái)一朵帶著孩子在媽媽家。大林是想打牌了。他說(shuō)，快點(diǎn)回來(lái)，有事。一朵說(shuō)，正在吃飯呢，什么事？大林說(shuō)，回來(lái)打牌，今天可以了。母親問(wèn)，大林的牌癮怎么這么大？天天值夜班還沒(méi)打夠？夫妻之間打什么牌!

FMEA是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品各組成單元潛在的各種故障模式及其對(duì)產(chǎn)品功能的影響進(jìn)行分析，提出可能采取的預(yù)防改進(jìn)措施，以提高產(chǎn)品可靠性[2]。表3是針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行的嚴(yán)酷度等級(jí)的約定。

表3 嚴(yán)酷度等級(jí)

3.1.3 FMEA分析

采用功能法對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行FMEA，分析的對(duì)象是開(kāi)關(guān)電源中的各個(gè)功能電路（圖1中所示的各個(gè)功能方框單元）的故障模式[3]，分析結(jié)果如表4所示。

3.1.4 FMEA結(jié)論

嚴(yán)酷度為II、III類的故障模式較多，考慮增加對(duì)開(kāi)關(guān)電源的冗余設(shè)計(jì)，選用高質(zhì)量元器件，加強(qiáng)元器件二次篩選，提高電路的穩(wěn)定性。另外，如果對(duì)應(yīng)用了開(kāi)關(guān)電源的系統(tǒng)任務(wù)可靠度要求高，可增加一塊電源模塊作為系統(tǒng)的備份設(shè)計(jì)。

3.2 FTA定性分析

故障樹(shù)分析法（FTA）是一種圖形演繹式故障分析方法，它對(duì)造成系統(tǒng)失效的各種因素進(jìn)行自上而下的深入分析，最終找到對(duì)應(yīng)的各種故障原因，即底事件，并用樹(shù)狀圖表達(dá)出故障和各原因之間的因果關(guān)系，具有簡(jiǎn)明、直觀、易懂和靈活的特點(diǎn)。故障樹(shù)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(kāi)關(guān)申源功能FMEA分析表

我們研究的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)故障樹(shù)的頂事件為輸出電壓不正常，依次逐級(jí)分析建立的故障樹(shù)如圖2所示（圖2中所有邏輯門(mén)均為或門(mén)）。

圖2 開(kāi)關(guān)電源的故障樹(shù)分析

3.3 系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

3.3.1 系統(tǒng)的簡(jiǎn)化可靠性模型

根據(jù)圖1，開(kāi)關(guān)電源的簡(jiǎn)單可靠性模型可簡(jiǎn)化為串聯(lián)模型，如圖3所示。

圖3 開(kāi)關(guān)電源的簡(jiǎn)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(gè)電路可靠性分析中的工作失效率的權(quán)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(gè)電路可靠性分析中的工作失效率的權(quán)重。

根據(jù)式（1）可知，首先通過(guò)計(jì)算可得電路中各個(gè)組成單元的工作失效率，在此基礎(chǔ)上根據(jù)各個(gè)組成單元對(duì)整個(gè)電路可靠性影響的大小對(duì)權(quán)重賦值，代入上式可得總電路的工作失效率。

由于工作過(guò)程中，控制電路與主電路相比較，其電路中流過(guò)的均為檢測(cè)、反饋、比較和控制等小信號(hào)，電壓低、電流小，所以在分析該單元工作失效率時(shí)，各元器件的電應(yīng)力變化范圍較小，對(duì)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(shí)，應(yīng)主要分析主電路的工作失效率。

3.3.2 快速預(yù)計(jì)法檢驗(yàn)可靠性指標(biāo)

開(kāi)關(guān)電源的可靠性指標(biāo)，一般用MTBF（平均故障間隔時(shí)間）來(lái)表示，可由MTBF=1/λ計(jì)算得到。通常要求MTBF達(dá)到105h以上。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期階段，由于無(wú)法了解到各個(gè)單元及其元器件的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，而不能采取元件計(jì)數(shù)法和元件應(yīng)力分析法。開(kāi)關(guān)電源主電路主要由開(kāi)關(guān)管、續(xù)流二極管、電感線圈和電容等組成，采取簡(jiǎn)單枚舉不完全歸納可靠性快速預(yù)計(jì)方法，通過(guò)計(jì)算來(lái)驗(yàn)證可靠性指標(biāo)的可行性，為可靠性分配做準(zhǔn)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(guó)產(chǎn)元器件則取λ0=10－6/h，若大部分為進(jìn)口元器件則取λ0=10－7/h；N表示單板的復(fù)雜因子，根據(jù)單板的元器件個(gè)數(shù)來(lái)確定；K1表示降額設(shè)計(jì)效果因子，一般K1=10－2～10－1，參照經(jīng)驗(yàn)一般取 K1=10－1；K2表示環(huán)境應(yīng)力篩選效果因子，一般K2=0.1～0.5，參照經(jīng)驗(yàn)這里可取K2=0.5；K3表示環(huán)境影響效果因子，應(yīng)用環(huán)境不同取值也不同；K4表示機(jī)械結(jié)構(gòu)影響因子，若約定不含機(jī)械，則其不計(jì)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(yàn)可取K5=2。由此根據(jù)公式，計(jì)算出失效率λ，則MTBF=1/λ。將計(jì)算結(jié)果和可靠性指標(biāo)對(duì)比，若計(jì)算的MTBF值大于可靠性指標(biāo)的105h，則方案滿足設(shè)計(jì)要求。

4 開(kāi)關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)

隨著開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，對(duì)它的設(shè)計(jì)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(duì)電源本身及其周圍電子設(shè)備的正常工作都造成威脅。為了確保開(kāi)關(guān)電源及系統(tǒng)可靠地工作，必須進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。

開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，不但需要考慮電源本身的參數(shù)設(shè)計(jì)，還要考慮電氣設(shè)計(jì)、元器件選取、電應(yīng)力設(shè)計(jì)、保護(hù)電路設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)和抗振設(shè)計(jì)等因素的影響[5]。尤其是在可靠性分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)預(yù)測(cè)的故障模式和薄弱環(huán)節(jié)，加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)，以不斷提高電源產(chǎn)品的安全性和可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行FMEA，并對(duì)主要故障原因進(jìn)行FTA，可找出設(shè)計(jì)中的缺陷和可靠性薄弱環(huán)節(jié)，特別是能引起高嚴(yán)酷度的故障模式，為電路設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)，也能為電源模塊的維修性、測(cè)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(shí)，開(kāi)關(guān)電源的可靠性高低，不僅與電氣設(shè)計(jì)有關(guān)，還與元器件、結(jié)構(gòu)、裝配、工藝、加工質(zhì)量等方面有關(guān)。在實(shí)際工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)取得反饋數(shù)據(jù)來(lái)完善設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源可靠性。

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