開關(guān)電源的可靠性設計方案
1 開關(guān)電源電氣可靠性工程設計技術(shù)
1.1 供電方式的選擇
供電方式一般分為：集中式供電系統(tǒng)和分布式供電。現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)一般采用采用分布式供電系統(tǒng)，以滿足高可靠性設備的要求。
1.2 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。其中雙管正激式、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600 V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用。
1 .3 功率因數(shù)校正技術(shù)
開關(guān)電源的諧波電流污染電網(wǎng)，干擾了其它共網(wǎng)設備，還可能會使采用三相四線制的中線電流過大，引發(fā)事故，解決途徑之一是采用具有功率因素校正技術(shù)的開關(guān)電源。
1.4 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，在 DC-DC變換器中輸出紋波可以控制在10 mV，優(yōu)于電壓型控制的常規(guī)電源。
硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率一般在350 kHz以下;軟開關(guān)技術(shù)是使開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下開關(guān)，實現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可將開關(guān)頻率提高到兆赫級水平，此技術(shù)主要應用于大功率系統(tǒng)，小功率系統(tǒng)中較少見。
1.5 元器件的選用
因為元器件直接決定了電源的可靠性，所以元器件的選用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四點：制造質(zhì)量問題、器件可靠性的問題、設計問題、損耗問題。在使用中應對此予以足夠重視。
1.6 保護電路
為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應在設計時加入多種保護電路，如防浪涌沖擊、過欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。
2 電磁兼容性(EMC)設計技術(shù)
開關(guān)電源多采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，脈沖波形呈矩形，其上升沿與下降 沿包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢復也會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，這是影響可靠性的不利因素，這使得系統(tǒng)具有電磁兼容性成為重要問題。
如圖1所示，產(chǎn)生電磁干擾有三個必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感接收單元，EMC設計就是破壞這三個條件中的一個。
對于開關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開關(guān)電路與輸出整流電路。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等技術(shù)。
3 電源設備可靠性熱設計技術(shù)
統(tǒng)計資料表明電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性下降10 %;溫升50 ℃時的壽命只有溫升25 ℃時的1/6。除了電應力之外，溫度是影響設備可靠性最重要的因素。
這就需要在技術(shù)上采取措施限制機箱及元器件的溫升，這就是熱設計。熱設計的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)，如移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等技術(shù)，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強散熱，即利用傳導、輻射、對流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括散熱器設計、風冷(自然對流和強迫風冷)設計、液冷(水、油)設計、熱電致冷設計、熱管設計等。
強迫風冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上，但是要增加風機、風機電源、聯(lián)鎖裝置等，在設計中要根據(jù)實際情況選取散熱方式。
4 安全性設計技術(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)品具有相當高的安全性，必須進行安全性設計。電源產(chǎn)品安全性設計的內(nèi)容包括防止電危險、過熱危險。
對于商用設備市場，具有代表性的安全標準有UL、CSA、VDE等，內(nèi)容因用途而異，容許泄漏電流在0.5～5mA之間，我國用軍標準GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5 mA。電源設備對地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器的Y電容的容量，如圖二所示。從EMI濾波器角度出發(fā)Y電容的容量越大越好，但從安全性角度出發(fā)Y電容的容量越小越好，Y電容的容量根據(jù)安全標準來決定。根據(jù)GJB151A，50 Hz設備小于0.1 μF，400Hz設備小于0.02 μF。若X電容器的安全性能欠佳，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時可能被擊穿，它的擊穿不危及人身安全，但會使濾波器喪失濾波功能。
5 三防設計技術(shù)
三防設計是指防潮設計、防鹽霧設計和防霉菌設計。凡應用我國長江以南、沿海地區(qū)以及軍用電源均應進行三防設計。
電子設備的表面在潮濕的海洋大氣中會吸附一層很薄的濕水層，即水膜，但水膜達到20～30分子層厚時，就形成化學腐蝕所必須的電解質(zhì)膜，這種富含鹽分的電解質(zhì)對裸露的金屬表面具有很強的腐蝕活性。另外溫度突變，在空氣中產(chǎn)生露點，會使印制線間絕緣電阻下降、元器件發(fā)霉，產(chǎn)生銅綠、引腳被腐蝕斷裂等情況。
濕熱環(huán)境為霉菌的滋生提供了有利條件。霉菌以電子設備中的有機物為養(yǎng)料，吸附水分并分泌有機酸，破壞絕緣，引發(fā)短路，加速金屬腐蝕。
在工程上，可以選用耐蝕材料，再通過鍍、涂或化學處理即通過對電子設備及零部件的表現(xiàn)覆蓋一屋金屬或非金屬保護膜，使之與周圍介質(zhì)隔離，從而達到防護的目的。在結(jié)構(gòu)上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環(huán)境。對印制板及組件表現(xiàn)涂覆專用三防清漆可以有效避免導線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性。變壓器應進行浸漆，端封，以防潮氣進入引發(fā)短路事故。
三防設計與電磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防設計優(yōu)異就具有良好的電氣絕緣性，而電氣絕緣的外殼就沒有好的屏蔽效果，這兩方面需綜合考慮。
在整機設計中，應充分考慮屏蔽與接地要求，采取合理的工藝，保證有電接觸的表面長期導通。
6 抗振性設計技術(shù)
振動也是造成電源故障的一個重要原因。在振動試驗中常發(fā)生鉭電容和鋁電解電容器引線被振斷情況，這些就要求加固設計。一般可以用硅膠固定鉭電容，給高度超過25cm和直徑超過12cm的鋁電解電容器加裝固定夾，給印制板加裝肋條。
7 結(jié)束語
以上建議只是適用于工業(yè)品和軍品電源，對于商業(yè)級產(chǎn)品可以在某些方面作出不同的選擇�？傊娫丛O備可靠性的高低，不僅跟電氣設計，而且跟裝配、工藝、結(jié)構(gòu)設計、加工質(zhì)量等各方面有關(guān)。可靠性是以設計為基礎，在實際工程應用上，還應通過各種試驗取得反饋數(shù)據(jù)來完善設計，進一步提高電源的可靠性。
1.1 供電方式的選擇
供電方式一般分為：集中式供電系統(tǒng)和分布式供電。現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)一般采用采用分布式供電系統(tǒng)，以滿足高可靠性設備的要求。
1.2 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。其中雙管正激式、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600 V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用。
1 .3 功率因數(shù)校正技術(shù)
開關(guān)電源的諧波電流污染電網(wǎng)，干擾了其它共網(wǎng)設備，還可能會使采用三相四線制的中線電流過大，引發(fā)事故，解決途徑之一是采用具有功率因素校正技術(shù)的開關(guān)電源。
1.4 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，在 DC-DC變換器中輸出紋波可以控制在10 mV，優(yōu)于電壓型控制的常規(guī)電源。
硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率一般在350 kHz以下;軟開關(guān)技術(shù)是使開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下開關(guān)，實現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可將開關(guān)頻率提高到兆赫級水平，此技術(shù)主要應用于大功率系統(tǒng)，小功率系統(tǒng)中較少見。
1.5 元器件的選用
因為元器件直接決定了電源的可靠性，所以元器件的選用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四點：制造質(zhì)量問題、器件可靠性的問題、設計問題、損耗問題。在使用中應對此予以足夠重視。
1.6 保護電路
為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應在設計時加入多種保護電路，如防浪涌沖擊、過欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。
2 電磁兼容性(EMC)設計技術(shù)
開關(guān)電源多采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，脈沖波形呈矩形，其上升沿與下降 沿包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢復也會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，這是影響可靠性的不利因素，這使得系統(tǒng)具有電磁兼容性成為重要問題。
如圖1所示，產(chǎn)生電磁干擾有三個必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感接收單元，EMC設計就是破壞這三個條件中的一個。
對于開關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開關(guān)電路與輸出整流電路。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等技術(shù)。
3 電源設備可靠性熱設計技術(shù)
統(tǒng)計資料表明電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性下降10 %;溫升50 ℃時的壽命只有溫升25 ℃時的1/6。除了電應力之外，溫度是影響設備可靠性最重要的因素。
這就需要在技術(shù)上采取措施限制機箱及元器件的溫升，這就是熱設計。熱設計的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)，如移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等技術(shù)，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強散熱，即利用傳導、輻射、對流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括散熱器設計、風冷(自然對流和強迫風冷)設計、液冷(水、油)設計、熱電致冷設計、熱管設計等。
強迫風冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上，但是要增加風機、風機電源、聯(lián)鎖裝置等，在設計中要根據(jù)實際情況選取散熱方式。
4 安全性設計技術(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)品具有相當高的安全性，必須進行安全性設計。電源產(chǎn)品安全性設計的內(nèi)容包括防止電危險、過熱危險。
對于商用設備市場，具有代表性的安全標準有UL、CSA、VDE等，內(nèi)容因用途而異，容許泄漏電流在0.5～5mA之間，我國用軍標準GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5 mA。電源設備對地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器的Y電容的容量，如圖二所示。從EMI濾波器角度出發(fā)Y電容的容量越大越好，但從安全性角度出發(fā)Y電容的容量越小越好，Y電容的容量根據(jù)安全標準來決定。根據(jù)GJB151A，50 Hz設備小于0.1 μF，400Hz設備小于0.02 μF。若X電容器的安全性能欠佳，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時可能被擊穿，它的擊穿不危及人身安全，但會使濾波器喪失濾波功能。
5 三防設計技術(shù)
三防設計是指防潮設計、防鹽霧設計和防霉菌設計。凡應用我國長江以南、沿海地區(qū)以及軍用電源均應進行三防設計。
電子設備的表面在潮濕的海洋大氣中會吸附一層很薄的濕水層，即水膜，但水膜達到20～30分子層厚時，就形成化學腐蝕所必須的電解質(zhì)膜，這種富含鹽分的電解質(zhì)對裸露的金屬表面具有很強的腐蝕活性。另外溫度突變，在空氣中產(chǎn)生露點，會使印制線間絕緣電阻下降、元器件發(fā)霉，產(chǎn)生銅綠、引腳被腐蝕斷裂等情況。
濕熱環(huán)境為霉菌的滋生提供了有利條件。霉菌以電子設備中的有機物為養(yǎng)料，吸附水分并分泌有機酸，破壞絕緣，引發(fā)短路，加速金屬腐蝕。
在工程上，可以選用耐蝕材料，再通過鍍、涂或化學處理即通過對電子設備及零部件的表現(xiàn)覆蓋一屋金屬或非金屬保護膜，使之與周圍介質(zhì)隔離，從而達到防護的目的。在結(jié)構(gòu)上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環(huán)境。對印制板及組件表現(xiàn)涂覆專用三防清漆可以有效避免導線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性。變壓器應進行浸漆，端封，以防潮氣進入引發(fā)短路事故。
三防設計與電磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防設計優(yōu)異就具有良好的電氣絕緣性，而電氣絕緣的外殼就沒有好的屏蔽效果，這兩方面需綜合考慮。
在整機設計中，應充分考慮屏蔽與接地要求，采取合理的工藝，保證有電接觸的表面長期導通。
6 抗振性設計技術(shù)
振動也是造成電源故障的一個重要原因。在振動試驗中常發(fā)生鉭電容和鋁電解電容器引線被振斷情況，這些就要求加固設計。一般可以用硅膠固定鉭電容，給高度超過25cm和直徑超過12cm的鋁電解電容器加裝固定夾，給印制板加裝肋條。
7 結(jié)束語
以上建議只是適用于工業(yè)品和軍品電源，對于商業(yè)級產(chǎn)品可以在某些方面作出不同的選擇�？傊娫丛O備可靠性的高低，不僅跟電氣設計，而且跟裝配、工藝、結(jié)構(gòu)設計、加工質(zhì)量等各方面有關(guān)。可靠性是以設計為基礎，在實際工程應用上，還應通過各種試驗取得反饋數(shù)據(jù)來完善設計，進一步提高電源的可靠性。
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