开关电源可靠性设计探讨

时间:2022-07-24 03:08:01

开关电源可靠性设计探讨

摘 要:开关电源在家电、交通、军事、航天等领域得到了普遍应用,在人类生产、生活中使用得越来越广泛,用途越来越多。随着电源技术和元器件的不断发展,人们对开关电源产品的设计和研发提出了更高的要求,其中高可靠性就是关键之一。

关键词:可靠性;电气设计;热设计;三防设计

中图分类号:TB

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)09-0325-01

近年来,电源设备日趋复杂,元器件的品种和数量增加十分快,使用环境也变得恶劣多样,所服务的电子系统又越来越重要和昂贵。以开关电源为例,已广泛地应用于车载、机载、地面的军用装备及航空航天、交通和通信系统等方面。电源需要日夜不停地连续运行,还要经受高、低温以及高湿、冲击等考验,运行中往往不允许检修或只能从事简单的维护。这一切使得开关电源的可靠性设计变得刻不容缓。

1 电气设计

1.1 供电方式的选择

集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供电质量,而且应用单台电源供电,当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。分布式供电系统供电单元靠近负载,改善了动态响应特性,供电质量好,传输损耗小,效率高,节约能源,可靠性高,容易组成N+1冗余供电系统,扩展功率也相对比较容易,所以分布式供电系统可以满足高可靠性设备的要求。

1.2 电路拓扑的选择

开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、推挽式、半桥式等多种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式开关管的承受电压在两倍输入电压以上,如果按60%降额使用,则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和,使开关管损坏。双管正激式和半桥电路开关管的承受电压仅为电源的最大输入电压,选用开关管比较容易。在高可靠性工程上一般采用这两种电路拓扑。

1.3 控制策略的选择

在中小功率的电源中,电流型PWM控制是大量采用的方法,它较电压型控制有如下优点:逐周期电流限制,比电压型控制更快,不会因过电流而使开关管损坏,大大减小了过载与短路故障;具有优良的电网电压调整率和快速的瞬态响应;环路稳定,易补偿;纹波比电压控制型小得多。实践表明,电流控制型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右。

硬开关技术因开关损耗的限制,开关频率一般在350kHz以下,软开关技术应用谐振原理,实现开关损耗为零,从而可以将开关频率提高到兆赫级水平。这种应用软开关技术的变换器综合PWM变换器和谐振变换器两者的优点,接近理想的特性,如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围,但此项技术主要应用于大功率开关电源中,中小功率开关电源仍以PWM技术为主。

1.4 元器件的选用

元器件直接决定了开关电源的可靠性,所以它的选用显得非常重要。

(1)尽量选用硅半导体器件。

(2)多采用集成电路,少用分立元件的电路。

(3)开关管选用MOSFET能简化驱动电路,减少损耗。

(4)输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。

(5)应选用金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件,禁止选用塑料封装的器件。

(6)原则上不选用电位器,必须保留的应进行固封处理。

(7)尽量少用继电器,确有必要时选用密封继电器。

(8)吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近,因流过高频电流,故易升温,元器件所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。

1.5 降额设计

电子元器件的基本失效力取决于工作应力。除个别低应力失效的元器件外,多数表现为工作应力越高,失效率越高的特性。为了使元器件的失效率降低,在电路设计时要进行降额设计,不同的元器件降额标准是不同的。开关电源常用元器件的降额系数可查阅相关资料。

另外,为了使开关电源能在各种恶劣环境下可靠工作,应设置多种保护电路,如过压保护电路、欠压保护电路、过载保护电路、短路保护电路等。

2 热设计

开关电源的耐热性能不仅直接关系到它的可靠性和使用寿命,而且还直接关系到发生火灾的危险程度,所以温度是影响开关电源可靠性的一个重要因素。开关电源的热源主要是高频变压器、开关功率晶体管、整流输出二极管以及滤波用的电解电容。实践表明,开关电源内部的温升将导致元器件失效,当温度超过一定值时,失效率将呈指数规律增加。开关电源热设计的原则有:

(1)减少发热量,选用更优的控制方式和技术(如移相控制技术),选用低功耗的器件,减少发热元件的数量,加大加粗印制线的宽度,提高开关电源效率。

(2)加强散热,利用传导、辐射、对流技术将热量转移,包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷和热管等方法。

强迫风冷的散热量比自然冷却大10倍以上,但是要增加风机、风机电源、连锁装置等。这不仅使开关电源的成本和复杂性增加,而且还会使系统的可靠性下降,因而一般尽量采用自然冷却,而不是风冷、液冷之类的冷却方式。在元器件布局时,应将发热器件安放在下风位置或印制板的上部,散热器采用氧化发黑工艺处理以提高辐射率。变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升。

3 安全性设计

对于电源而言,安全性从来都是被确定为最重要的性能之一,不安全的产品不但不能完成规定的功能,而且还有可能发生严重事故,造成机毁人亡的巨大损失。为保证电源产品具有相当高的安全性,必须进行安全性设计。电源安全性设计的主要内容是防止触电和烧伤。

为防止使用者触电,必须对开关电源进行隔离和绝缘。

(1)距离要求:既要缩小体积又要满足要求。

对开关电源的带电部分及带电与不带电金属部分之间提出了有安全保证的空间距离要求。一般要求高于250V交流电压的的火线与零线以及高压导线与不带电的金属部分之间,除了励磁绕组的线端都必须有2.5mm的距离外,交流输入线与地线之间要求有3mm的净空距离。要求电源的输入部分与输出部分之间的净空距离为8mm。变压器的初级与次级之间也要10mm的净空距离。

(2)漏电要求:必须符合国际标准。

要求所有暴露的不带电的金属部分必须接地。如果只通过一只1.5kΩ电阻接地,所测得的漏电流不得大于5uA,整机泄漏电流小于0.5mA。

为防止烧伤,对于可能与人体接触的暴露部件(散热器、机壳等),当环境温度为25℃时,其最高温度不应超过60℃。

4 三防设计

三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。在设计时,对于密封有要求的元器件采取密封措施;对于不可修复的组合装置,可采用环氧树脂灌封。所有元器件、原材料的吸湿度应较小,不得使用含有棉、麻、丝等的易霉制品;对密封机箱、机柜应设置防护网,以防止昆虫和啮齿动物进入;直接暴露在大气中的装置外顶部不应采用凹陷结构,避免积水导致腐蚀;可以选用耐蚀材料,再通过镀、涂或化学处理使电子设备及其零部件的表面覆盖一层金属或非金属保护膜,隔离周围介质;在结构上采用密封或半密封形式来隔绝外部不利环境;印制板及组件表面涂覆专用的三防清漆,可以有效的避免导线之间的电晕、击穿,提高电源的可靠性;电感和变压器应进行浸漆、封端,以防潮气进入引发短路事故。

随着开关电源控制技术的发展和专用控制芯片的生产,电源电路大幅度简化,提高了开关电源的可靠性。另外新型半导体器件的问世和电路的集成化发展,减少了外部连线和焊接,缩小了电源体积,也大大提高了电源的可靠性。

参考文献

[1]丁道宏.国内外开关电源的技术与市场[J].电子产品世界,1999,(2).

[2]张占三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2003.

上一篇:高速加工技术在大飞机零件加工中的应用 下一篇:深井抗高温钻井液在渤深8井中的应用