開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計探索

魏春鋒 胡松延

摘 要 在經(jīng)濟大力發(fā)展的趨勢推動下，各種各樣的電子用品也在逐漸出現(xiàn)，而開關(guān)電源一直都是電子系統(tǒng)中不可或缺的組件。一個系統(tǒng)要維系它的應(yīng)用，保證其穩(wěn)定性，其中組件的穩(wěn)定也是要擺在重要的位置的。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，就需要對開關(guān)電源的可靠性進行研究設(shè)計。基于此，本文將經(jīng)過探討研究，提出在實際的應(yīng)用中可以完善工程設(shè)計的方法，從而使得開關(guān)電源更加可靠，達到保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目的。

關(guān)鍵詞 開關(guān)電源;可靠性;工程設(shè)計

引言

關(guān)電源是生產(chǎn)線中常用的電氣設(shè)備，具有體積小、重量輕、功耗小、效率高的特點。在連續(xù)生產(chǎn)線中，其主要用于PLC模塊、遠程I/O站、PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表、變頻器控制電路等重要部位。一旦開關(guān)電源出現(xiàn)故障，對連續(xù)生產(chǎn)線的傷害是致命的。大多數(shù)都會造成機組故障停機損失。為此，設(shè)計者通常會在PLC主控制室，增加UPS不間斷電源保護系統(tǒng)。因為UPS系統(tǒng)費用昂貴，體積較大，不可能大范圍應(yīng)用?，F(xiàn)場電氣控制柜大量開關(guān)電源的健康狀態(tài)與管理便成為需要關(guān)注的重點。

1開關(guān)電源工作原理

開關(guān)電源顧名思義就是利用電子開關(guān)器件，通過控制電路，使電子開關(guān)器件實現(xiàn)接通和關(guān)斷，以達到對電壓的調(diào)節(jié)和自動穩(wěn)定。與線性電源相比，開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，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匝數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓[1]。

2開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計

2.1 供電方式的選擇

首先，傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)的質(zhì)量由于采用的是集中式，因此壓差也非常不穩(wěn)定，這樣一來就降低了供電的質(zhì)量，并且因為給部件供電用的也基本上是單臺電源，這樣就很難進行控制，一旦有一點機器的故障，產(chǎn)生的結(jié)果就會是整個系統(tǒng)的癱瘓，正所謂“一損俱損，一亡俱亡”。但是分布式的供電就具有很大的不同了，集中式的缺陷是很明顯的，但是分布式相對于集中式的來講，更加便捷、更加穩(wěn)定，因此顯得性能更強。

2.2 電路拓撲的選擇

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、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓撲。以工頻電網(wǎng)AC220V/50Hz為例，單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開關(guān)管的承壓加上漏感儲能引起的尖峰約在800V左右，如果按60%降額使用，則使得耐壓1400V的開關(guān)管不易選型。在推挽和全橋拓撲中，若兩路驅(qū)動脈沖不一致，就會使電路工作于不平衡狀態(tài)，導(dǎo)致變壓器原邊單向偏磁飽和，使開關(guān)管損壞，而半橋電路具有自動抗不平衡能力不會出現(xiàn)這個問題。雙管正激式、雙正激式和半橋電路的開關(guān)管承壓僅為輸入電源電壓，60%降額時選用600V的開關(guān)管比較容易，而且不會出現(xiàn)單向偏磁飽和的問題，這三種拓撲在高壓輸入電路中得到廣泛的應(yīng)用。

2.3 優(yōu)化控制策略

在中、小功率的電源中，電源型PWM目前的應(yīng)用較為廣泛，其在控制過程中具有如下優(yōu)勢：控制速度更快，即便出現(xiàn)過電流也不會破壞開關(guān)管，大幅度降低了短路和過載故障的發(fā)生概率;瞬態(tài)響應(yīng)良好，且電網(wǎng)電壓調(diào)整率優(yōu)良;易于補償、環(huán)路較為穩(wěn)定;經(jīng)實驗表明，50W電路控制型開關(guān)電源，其輸出波紋一般都在25mV左右。硬開關(guān)技術(shù)在應(yīng)用過程中，由于開關(guān)損耗的問題，故限制了其應(yīng)用和普及，開關(guān)頻率通常在350kHz以下，軟開關(guān)技術(shù)主要是運用了諧振原理，進而實現(xiàn)了零開關(guān)損耗，并大幅度提升開關(guān)頻率。該技術(shù)在應(yīng)用的過程中，綜合了諧振變換器和PWM變換器兩種設(shè)備的優(yōu)勢，故更加接近于理想化，如可保證恒儲能元件的尺寸的合理性、恒頻控制、降低開關(guān)損耗、控制范圍較廣泛等等，該技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于大功率的開關(guān)點電源中[2]。

2.4 功率因數(shù)校正技術(shù)

眾所周知，諧波電流對電網(wǎng)而言是一種嚴重的污染，由于電網(wǎng)中的線錯綜復(fù)雜，那么這種電流對于公共的網(wǎng)絡(luò)而言則是一種威脅，面臨這種情況必不可坐視不管，采取的措施就是要能夠校正，盡量要使用的開關(guān)類型。

2.5 器件可靠性的問題

器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問題的區(qū)別是器件的失效率取決于工作應(yīng)力水平。在一定的應(yīng)力水平下，器件的失效率會大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數(shù)不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等，應(yīng)進行篩選試驗，這是一種非破壞性試驗。通過篩選可使元器件使用失效率降低1～2個數(shù)量級，當(dāng)然篩選試驗代價（時間與費用）很大，但綜合維修、后勤保障、整架聯(lián)試等還是合算的，研制周期也不會延長。

2.6 熱設(shè)計

電源內(nèi)部的溫升會直接影響元器件的效力，待溫度達到一定的數(shù)值時，其失效率也會隨之而增加，熱設(shè)計過程中應(yīng)遵循以下幾個基本原則：①盡量選擇最優(yōu)將控制技術(shù)和方式，并選用耗能較低的元器件，控制好使用數(shù)量，提升開關(guān)電源的工作效率。②強化散熱，通過對流、輻射、傳導(dǎo)等技術(shù)進行熱量轉(zhuǎn)移，同時也可采用風(fēng)冷、熱管、液冷等方法。在進行風(fēng)冷的過程中，一般需要增加連鎖裝置、風(fēng)機電源等，這些工作不僅增加成本，同時也使系統(tǒng)的可靠性能大幅度下降，因此，應(yīng)盡量采用自然冷卻。

2.7 安全性設(shè)計技術(shù)

對于電源而言，安全性歷來被確定為最重要的性能，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)生嚴重事故，甚至造成機毀人亡的巨大損失。為保證產(chǎn)品具有相當(dāng)高的安全性，必須進行安全性設(shè)計。電源產(chǎn)品安全性設(shè)計的內(nèi)容主要包括防止漏電危險、過熱危險[3]。

3結(jié)束語

綜上所述，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，推動了電源控制技術(shù)水平的提高，有效簡化了電源電路設(shè)計流程，同時也保證了電源的安全性和可靠性。在此也要求相關(guān)設(shè)計人員善于在工作中總結(jié)問題和經(jīng)驗，從而不斷提高設(shè)計水平。

參考文獻

[1] 顧德峰.開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計探索[J].電子技術(shù)工程，2019 （20）：227-228.

[2] 陳忠武.淺析開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2019， 36（10）：194-195.

[3] 郭勝強.開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計分析[J].通訊世界，2015（8）： 172-173.