開關(guān)電源可靠性設(shè)計研究

合肥威師智能電子電器廠　葛　坤　沈軍霞

開關(guān)電源可靠性設(shè)計研究

合肥威師智能電子電器廠葛坤沈軍霞

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

開關(guān)電源；可靠性指標(biāo)；可靠性設(shè)計

引言

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，電源設(shè)備的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。開關(guān)電源作為應(yīng)用最為普遍的新式電源，其使用環(huán)境也日趨多樣化，時常會遇到高濕度、高溫、低溫等工作環(huán)境，并且開關(guān)電源需要連續(xù)運(yùn)行較長時間，這對開關(guān)電源性能的可靠性提出了較高的要求。

1.可靠性設(shè)計指標(biāo)

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

（1）MTBF指標(biāo)，表示平均故障間隔指標(biāo)，是指平均出現(xiàn)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(biāo)。一般來說，MTBF的數(shù)值等于總工作時間與在此期間出現(xiàn)的故障數(shù)之比；平均故障間隔指標(biāo)是衡量電器元件產(chǎn)品可靠性的重要標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)值越大則表明該電器元件產(chǎn)品的可靠性程度越高。

（2）失效率指標(biāo)，這項指標(biāo)代表著產(chǎn)品在一定時間內(nèi)產(chǎn)生故障的次數(shù)，失效率的數(shù)值越小則代表該產(chǎn)品的可靠性程度越高。失效率指標(biāo)和平均故障間隔指標(biāo)都是評價產(chǎn)品可靠性的“概率性”關(guān)鍵性標(biāo)準(zhǔn)與“標(biāo)尺”。

2.開關(guān)電源可靠性設(shè)計

2.1電氣可靠性設(shè)計

對于開關(guān)電源電氣的可靠性設(shè)計主要有供電方式的選擇、電路拓?fù)涞倪x用、功率因數(shù)校正、控制策略的選取、設(shè)計過程元器件的選擇以及降額設(shè)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(jié)能、質(zhì)量高、功率擴(kuò)展較為簡便等優(yōu)勢，可以滿足具有高可靠性的設(shè)備需求，因此當(dāng)前電力電子系統(tǒng)大多都選擇了分布式供電方式來滿足日常運(yùn)行需要。

（2）電路拓?fù)涞倪x用。開關(guān)電源運(yùn)用的拓?fù)溆卸喾N，而在高可靠性設(shè)備中大多運(yùn)用的是雙管正激式以及半橋電路式兩種電路拓?fù)?，因為這兩種電路拓?fù)淇梢詫崿F(xiàn)自動抗不平衡，并且在60%以下的降額情況下，其開關(guān)管的選型也相對方便。

（3）功率因素校正?？蛇x取擁有功率因素校正功能的開關(guān)電源來克服諧波電流污染電網(wǎng)的現(xiàn)象，降低事故發(fā)生的頻率，提升了產(chǎn)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(guān)技術(shù)，具有較低的開關(guān)損失、控制范圍較寬、負(fù)載范圍較大等優(yōu)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(shù)，PWM控制技術(shù)具有著電壓控制速度快、環(huán)路穩(wěn)定性高、短路故障少等優(yōu)點。

（5）設(shè)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(shè)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(zhì)量要合乎標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)行篩選試驗并選擇高可靠性的元器件、嚴(yán)格按照元器件的選用原則來進(jìn)行選擇、結(jié)合使用環(huán)境對元器件的要求來進(jìn)行選擇等環(huán)節(jié)。

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

2.2可靠性熱設(shè)計

溫度是決定開關(guān)電源可靠性的一大重要因素，當(dāng)設(shè)備的內(nèi)部溫度過高時將可能會引起一些對溫度反應(yīng)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(shè)備的發(fā)熱量以及加強(qiáng)散熱兩個方面進(jìn)行控制。

控制設(shè)備發(fā)熱量可以采取更加合適的控制技術(shù)來減少設(shè)備運(yùn)行時造成的損耗，從而減少發(fā)熱量，并且設(shè)計時要選用低功耗的部件并且合理減少發(fā)熱源的數(shù)目，在變壓器等的設(shè)計中可以采取應(yīng)用較粗導(dǎo)線來減低電阻較少發(fā)熱。

加強(qiáng)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(fā)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(shè)備。強(qiáng)迫風(fēng)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(fēng)機(jī)等設(shè)備，使得設(shè)備更為復(fù)雜并且提升了成本，并且產(chǎn)生了多余的噪聲和振動，因此在大多數(shù)情況下應(yīng)用較少，但是在部分特殊要求的設(shè)備中仍有應(yīng)用。

2.3安全性設(shè)計

電源的安全性一直以來都是設(shè)計人員最為重視的性能，不具備足夠安全性的電源產(chǎn)品不但使得正常工作得不到保障，而且還可能會引發(fā)巨大的事故，造成重大損失。因此對電源產(chǎn)品進(jìn)行安全性設(shè)計是十分必要的，其設(shè)計的主要內(nèi)容包含了避免觸電和燒傷等保護(hù)措施；關(guān)系到電源產(chǎn)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(guān)電源設(shè)備安全性的角度出發(fā)，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(shè)計當(dāng)中，一般根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)來對EMI濾波器的電容容量進(jìn)行設(shè)計。在避免燒傷的設(shè)計方面，在設(shè)計時就需要注意當(dāng)環(huán)境溫度在25攝氏度左右時，設(shè)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(shè)計

電子設(shè)備在潮濕的環(huán)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(dāng)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(xué)腐蝕性的電解質(zhì)膜，會導(dǎo)致元器件受到腐蝕發(fā)霉或是產(chǎn)生銅綠，并且這樣的環(huán)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(qū)以及長江流域以南地區(qū)都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行開關(guān)電源的三防設(shè)計。具體來說，三防設(shè)計的內(nèi)容包括防潮濕、防鹽霧以及防霉菌設(shè)計等。在進(jìn)行開關(guān)電源的三防設(shè)計時，元器件的原材料應(yīng)當(dāng)具有較低的吸濕度，并且不含容易滋生霉菌的材料，在機(jī)柜內(nèi)應(yīng)當(dāng)設(shè)置適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)網(wǎng)以防止昆蟲等動物的進(jìn)入，關(guān)鍵部件應(yīng)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(hù)膜，使部件與周圍介質(zhì)隔離開來；在設(shè)備的結(jié)構(gòu)上，可以采取封閉或半封閉的結(jié)構(gòu)降低不良環(huán)境對設(shè)備造成的影響。變壓器等設(shè)備可采用浸漆等方法進(jìn)行處理，防止?jié)駳庥绊懚l(fā)生短路。

2.5抗震性設(shè)計

在開關(guān)電源設(shè)備實際運(yùn)作中，不當(dāng)?shù)恼駝右彩且l(fā)設(shè)備部件故障的重要因素之一，這就要求在開關(guān)電源的設(shè)計過程中必須進(jìn)行加固設(shè)計。如今應(yīng)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(jié)語

開關(guān)電源設(shè)備在行業(yè)中應(yīng)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(guān)注的焦點。決定開關(guān)電源可靠性高低的因素最重要的是設(shè)計因素，除此之外其加工質(zhì)量、加工工藝以及設(shè)備的裝配等方面對開關(guān)電源設(shè)備的可靠性都有著一定的影響。所以在合理設(shè)計的基礎(chǔ)上，開關(guān)電源設(shè)備的可靠性還有著進(jìn)一步提高的空間。

［1］呂方超，李玉忍，蘭根龍.開關(guān)電源的可靠性分析［J］.電源技術(shù)，2014，06：1127-1129.

［2］朱春節(jié)，郭春生，李志國，呂長志.開關(guān)電源模塊可靠性的研究［J］.環(huán)境技術(shù)，2008，02：41-43.

［3］張曉杰，曾照洋，孟令嚴(yán)，姜同敏，王曉峰，朱越.服務(wù)器開關(guān)電源的可靠性測試［A］.中國儀器儀表學(xué)會.

葛坤（1979－），男，安徽潛山人，碩士，工程師，研究方向：嵌入式控制。