開關(guān)電源的可靠性設(shè)計

高海燕

摘要：這是一篇有關(guān)開關(guān)電源可靠性的理論研究、設(shè)計方法的技術(shù)總結(jié)。詳細地介紹了開關(guān)電源可靠性建模、可靠性設(shè)計等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;可靠性;失效率;可靠性設(shè)計

引言

產(chǎn)品的可靠性是指在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的功能的能力。產(chǎn)品的可靠性非常重要，決定作戰(zhàn)的勝敗、設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)、關(guān)系到一個公司的發(fā)展前途、影響到使用者的安全。

隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，競爭日趨激烈，高性價比高可靠是各行各業(yè)共同追求的目標(biāo)。設(shè)備要正常工作、發(fā)光、發(fā)聲都需要電源，開關(guān)電源因其體積小效率高得到普遍應(yīng)用，對可靠性及使用壽命要求也越來越高，提高開關(guān)電源的可靠性值得探究。

1?主要的可靠性指標(biāo)

衡量開關(guān)電源產(chǎn)品可靠性水平的標(biāo)準(zhǔn)有定量的和定性的，有時同時用幾種指標(biāo)去評估產(chǎn)品的可靠性，最常用的有以下幾種。

1）可靠度R（t）：是指產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。一批產(chǎn)品的數(shù)量為N，從t = 0時開始使用，隨著時間的推移，失效的產(chǎn)品件數(shù)逐漸增加，而正常工作的產(chǎn)品件數(shù)n（t）逐漸減少，用R（t）表示產(chǎn)品在任意時刻t的可靠度。

2）失效率（故障率）λ（t）：：是指某產(chǎn)品（零部件）工作到時間t之后，在單位時間△t內(nèi)發(fā)生失效的概率。

3）有效壽命與平均壽命;有效壽命一般是指產(chǎn)品投入使用后至達到某規(guī)定失效率水平之前的一段工作時間，而平均壽命MTTF對于不可修復(fù)產(chǎn)品，指從開始使用直到發(fā)生失效這一段工作時間的平均值;對于可修復(fù)的產(chǎn)品，是指在整個使用階段和除維修時間之后的各段有效工作時間的平均值。

4）平均無故障工作時間MTBF：是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，也稱為平均故障間隔時間。它僅適用于可維修產(chǎn)品，規(guī)定產(chǎn)品在總的使用階段累計工作時間與故障次數(shù)的比值為MTBF。其他如可靠度、有效度、維修度、平均維修時間等也是衡量產(chǎn)品可靠性水平的一種標(biāo)準(zhǔn)，但是一般以可失效率和MTBF就足以說明產(chǎn)品可靠性程度了。

2?開關(guān)電源可靠性設(shè)計具體實施辦法

2.1電路設(shè)計

2.1.1電路設(shè)計原則

a.電路拓撲選擇成熟穩(wěn)定的電路結(jié)構(gòu);

b.元器件質(zhì)量等級（可靠性等級）達到或超過目標(biāo)要求;

c.元器件按有關(guān)要求充分降額;

d.簡化電路設(shè)計，減少元器件種類和數(shù)量。

2.1.2 開關(guān)電源電路的可靠性設(shè)計指標(biāo)

2.1.2.1 穩(wěn)定性設(shè)計指標(biāo)

開關(guān)電源電路經(jīng)過貯存、使用一段時間后，在各種環(huán)境因素和工作應(yīng)力的作用下，某些電性能參數(shù)將逐漸發(fā)生變化。如果這些參數(shù)值經(jīng)過一定的時間超過了所規(guī)定的極限值即判為失效，這類失效通常稱為參數(shù)漂移失效，如溫漂、時漂等。因此，在確定穩(wěn)定性設(shè)計指標(biāo)時，必須明確規(guī)定開關(guān)電源電路在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，其參數(shù)的漂移變化率應(yīng)不超過其規(guī)定值。

2.1.2.2 極限性設(shè)計指標(biāo)

開關(guān)電源承受各種工作應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力的極限能力是保證開關(guān)電源可靠性的主要條件。開關(guān)電源電路的電性能參數(shù)和熱性能參數(shù)都有極限性設(shè)計指標(biāo)的要求，應(yīng)根據(jù)用戶提出的工作環(huán)境要求在設(shè)計中采取措施加以保證。

2.1.2.3 可靠性定量指標(biāo)

表征產(chǎn)品的可靠性有產(chǎn)品壽命、失效率或質(zhì)量等級。若開關(guān)電源的失效規(guī)律符合指數(shù)分布時，壽命與失效率互為倒數(shù)關(guān)系。

2.1.2.4 應(yīng)控制的主要失效模式

開關(guān)電源的研制應(yīng)根據(jù)電路的具體要求和相似產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用數(shù)據(jù)，通過可靠性水平分析，找到可能出現(xiàn)的主要失效模式，設(shè)計時采取相應(yīng)的糾正措施，達到控制或消除這些失效模式的目的。一般開關(guān)電源電路產(chǎn)品應(yīng)控制的主要失效模式有輸出電壓異常、輸出電流能力下降、輸入短路等，其主要失效機理為內(nèi)部元器件偶然失效、過應(yīng)力使用、多余物、電子互連失效（焊接工藝）等。

2.1.3 開關(guān)電源可靠性設(shè)計的基本內(nèi)容

2.1.3.1 線路可靠性設(shè)計

開關(guān)電源的線路可靠性設(shè)計是根據(jù)電路可能存在的主要失效模式，在設(shè)計階段對原功能設(shè)計的電路拓撲進行修改、補充、完善，以提高其可靠性。線路可靠性設(shè)計的一般原則是：

（1）線路設(shè)計應(yīng)在滿足性能要求的前提下盡量簡化;

（2）采用標(biāo)準(zhǔn)元器件，種類盡量少;

（3）進行降額設(shè)計，在允許的情況下輸入端電壓和功率最好一級降額;輸出端電流和功率最好一級降額;

（4）在同樣的參數(shù)指標(biāo)下，盡量降低電流密度和功耗，減少電熱效應(yīng)的影響;

（4）出現(xiàn)的瞬態(tài)過電應(yīng)力，應(yīng)采取必要的保護措施。如在有關(guān)端口采用箝位二極管進行瞬態(tài)電壓保護，采用串聯(lián)限流電阻限制瞬態(tài)脈沖過電流值。

2.1.3.2 印制板圖可靠性設(shè)計

印制板圖可靠性設(shè)計是按照電路原理圖進行元器件布置和布線，根據(jù)工藝流程按照不同封裝的元器件可能出現(xiàn)的主要失效模式來審查印制板圖布置的合理性，發(fā)熱量較大的晶體管和單元，應(yīng)盡量分散安排，并遠離對溫度敏感的電路單元。

2.1.3.3 工藝可靠性設(shè)計

工藝設(shè)計非常關(guān)鍵，在工藝生產(chǎn)過程中的可靠性設(shè)計主要應(yīng)考慮：

（1）原工藝設(shè)計對工藝誤差、工藝控制能力是否給予足夠的考慮（裕度設(shè)計），有無監(jiān)測、監(jiān)控措施;

（2）各類元器件質(zhì)量的保證程度;

（3）工藝環(huán)境的保證程度;

（4）特定的保證工藝，如自動化水平、一致性等的保證。

2.1.3.4 封裝結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計

封裝質(zhì)量直接影響到開關(guān)電源電路的可靠性。封裝結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計應(yīng)著重考慮：

（1）內(nèi)部元器件的機械固定、粘固、灌封;

（2）外殼的選擇以及密封等級;

（3）對外引線方式的選擇。

2.1.4 可靠性設(shè)計技術(shù)

可靠性設(shè)計技術(shù)分類方法很多，這里以開關(guān)電源電路所受應(yīng)力不同造成的失效模式與機理為線索來分類，將開關(guān)電源電路可靠性設(shè)計技術(shù)分為：

（1）耐電應(yīng)力設(shè)計技術(shù)：包括抗電強度和絕緣設(shè)計，防靜電放電設(shè)計，電壓、電流、功率降額設(shè)計;

（2）耐環(huán)境應(yīng)力設(shè)計技術(shù)：包括耐熱應(yīng)力、耐機械應(yīng)力、耐化學(xué)應(yīng)力和生物應(yīng)力、耐輻射應(yīng)力設(shè)計;

（3）穩(wěn)定性設(shè)計技術(shù)：包括電路拓撲、印制板圖和工藝方面的穩(wěn)定性設(shè)計。

2.1.4.1 耐電應(yīng)力設(shè)計技術(shù)

開關(guān)電源所承受過高電應(yīng)力的來源是多方面的，有來自于整機電源系統(tǒng)的瞬時浪涌電壓和電流、外界的靜電和干擾的電噪聲，也有來自于自身電場的增強。主要有過電壓、過電流、過功率等。設(shè)計中要采取過壓保護、尖峰吸收及防靜電等措施。

2.1.4.2 耐環(huán)境應(yīng)力設(shè)計技術(shù)

環(huán)境包括高低溫、濕熱、振動、沖擊、鹽霧、霉菌、磁場等等，熱應(yīng)力是引起失效的重要因素，在開關(guān)電源設(shè)計時要充分進行熱設(shè)計。

開關(guān)電源電路的熱設(shè)計主要是以下幾方面：

（1）提高電路轉(zhuǎn)換效率，降低損耗，以降低溫升。

（2）選擇寬溫元器件;

（3）良好的散熱設(shè)計;開關(guān)電源內(nèi)部的功率元器件應(yīng)采取可靠的散熱設(shè)計，包括金屬背板傳導(dǎo)冷卻，強制風(fēng)冷和水冷等。特別注意的是開關(guān)管等功率元器件與散熱板的熱耦合，要求熱阻盡量低。

耐機械應(yīng)力、 化學(xué)應(yīng)力與生物應(yīng)力、防潮、防霉和防鹽霧設(shè)計等開關(guān)電源可靠性均有影響，本文不進行表述。

3?結(jié)論

本文給出了開關(guān)電源可靠性的理論研究、設(shè)計方法。詳細地介紹了開關(guān)電源可靠性設(shè)計具體實施辦法。對開關(guān)電源方案設(shè)計初期的可靠性設(shè)計提供理論依據(jù)，對具體產(chǎn)品設(shè)計具有一定的借鑒價值。