开关电源可靠性设计探讨

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1、万方数据现代商贸工业No．9，2010ModernBusinessTfadeIndustry2010年第9期开关电源可靠性设计探讨刘志雄(武汉市第一轻工业学校，湖北武汉430068)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

2、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备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

3、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

4、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，不会冈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

5、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

6、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。另夕L，为了使开关电源能在各种恶劣环

7、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

8、，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