开关电源可靠性设计研究

1、开关电源源可靠性性设计研研究摘要：对对影响军军用PWWM型开开关稳压压电源可可靠性的的因素作作出较为为详细的的分析比比较，并并从工程程实际出出发提出出一些提提高开关关电源可可靠性的的建议。关键词：开关电电源可靠靠性 11 引言言电子产品品，特别别是军用用稳压电电源的设设计是一一个系统统工程，不但要要考虑电电源本身身参数设设计，还还要考虑虑电气设设计、电电磁兼容容设计、热设计计、安全全性设计计、三防防设计等等方面。因为任任何方面面那怕是是最微小小的疏忽忽，都可可能导致致整个电电源的崩崩溃，所所以我们们应充分分认识到到电源产产品可靠靠性设计计的重要要性。 22 开关关电源电电气可靠靠性设计计 22

2、.1 供电方方式的选选择集中式供供电系统统各输出出之间的的偏差以以及由于于传输距距离的不不同而造造成的压压差降低低了供电电质量，而且应应用单台台电源供供电，当当电源发发生故障障时可能能导致系系统瘫痪痪。分布布式供电电系统因因供电单单元靠近近负载，改善了了动态响响应特性性，供电电质量好好，传输输损耗小小，效率率高，节节约能源源，可靠靠性高，容易组组成N1冗余供供电系统统，扩展展功率也也相对比比较容易易。所以以采用分分布式供供电系统统可以满满足高可可靠性设设备的要要求。 22.2 电路拓拓扑的选选择开关电源源一般采采用单端端正激式式、单端端反激式式、双管管正激式式、双单单端正激激式、双双正激式式、

3、推挽挽式、半半桥、全全桥等八八种拓扑扑。单端端正激式式、单端端反激式式、双单单端正激激式、推推挽式的的开关管管的承压压在两倍倍输入电电压以上上，如果果按600降额额使用，则使开开关管不不易选型型。在推推挽和全全桥拓扑扑中可能能出现单单向偏磁磁饱和，使开关关管损坏坏，而半半桥电路路因为具具有自动动抗不平平衡能力力，所以以就不会会出现这这个问题题。双管管正激式式和半桥桥电路开开关管的的承压仅仅为电源源的最大大输入电电压，即即使按660降降额使用用，选用用开关管管也比较较容易。在高可可靠性工工程上一一般选用用这两类类电路拓拓扑。 2.3 控控制策略略的选择择在中小功功率的电电源中，电流型型PWMM控

4、制是是大量采采用的方方法，它它较电压压控制型型有如下下优点：逐周期期电流限限制，比比电压型型控制更更快，不不会因过过流而使使开关管管损坏，大大减减小过载载与短路路的保护护；优良良的电网网电压调调整率；迅捷的的瞬态响响应；环环路稳定定，易补补偿；纹纹波比电电压控制制型小得得多。生生产实践践表明电电流控制制型的550W开开关电源源的输出出纹波在在25mmV左右右，远优优于电压压控制型型。硬开关技技术因开开关损耗耗的限制制，开关关频率一一般在3350kkHz以以下，软软开关技技术是应应用谐振振原理，使开关关器件在在零电压压或零电电流状态态下通断断，实现现开关损损耗为零零，从而而可将开开关频率率提高到

5、到兆赫级级水平，这种应应用软开开关技术术的变换换器综合合了PWWM变换换器和谐谐振变换换器两者者的优点点，接近近理想的的特性，如低开开关损耗耗、恒频频控制、合适的的储能元元件尺寸寸、较宽宽的控制制范围及及负载范范围，但但是此项项技术主主要应用用于大功功率电源源，中小小功率电电源中仍仍以PWWM技术术为主。 22.4 元器件件的选用用因为元器器件直接接决定了了电源的的可靠性性，所以以元器件件的选用用非常重重要。元元器件的的失效主主要集中中在以下下四个方方面：（1)制制造质量量问题质量问题题造成的的失效与与工作应应力无关关。质量量不合格格的可以以通过严严格的检检验加以以剔除，在工程程应用时时应选用

6、用定点生生产厂家家的成熟熟产品，不允许许使用没没有经过过认证的的产品。（2)元元器件可可靠性问问题元器件可可靠性问问题即基基本失效效率的问问题，这这是一种种随机性性质的失失效，与与质量问问题的区区别是元元器件的的失效率率取决于于工作应应力水平平。在一一定的应应力水平平下，元元器件的的失效率率会大大大下降。为剔除除不符合合使用要要求的元元器件，包括电电参数不不合格、密封性性能不合合格、外外观不合合格、稳稳定性差差、早期期失效等等，应进进行筛选选试验，这是一一种非破破坏性试试验。通通过筛选选可使元元器件失失效率降降低12个数量量级，当当然筛选选试验代代价(时间与与费用)很大，但综合合维修、后勤保保

7、障、整整架联试试等还是是合算的的，研制制周期也也不会延延长。电电源设备备主要元元器件的的筛选试试验一般般要求：电阻在在室温下下按技术术条件进进行1000测测试，剔剔除不合合格品。普通电电容器在在室温下下按技术术条件进进行1000测测试，剔剔除不合合格品。接插件件按技术术条件抽抽样检测测各种参参数。半导体体器件按按以下程程序进行行筛选：目检初初测高温贮贮存高低温温冲击电功率率老化高温测测试低温测测试常温测测试筛选结束束后应计计算剔除除率Q Q=(n / N)1000%式中：NN受受试样品品总数； n被剔除除的样品品数；如果Q超超过标准准规定的的上限值值，则本本批元器器件全部部不准上上机，并并按有

8、关关规定处处理。在符合标标准规定定时，则则将筛选选合格的的元器件件打漆点点标注，然后入入专用库库房供装装机使用用。（3)设设计问题题首先是恰恰当地选选用合适适的元器器件：尽量选选用硅半半导体器器件，少少用或不不用锗半半导体器器件。多采用用集成电电路，减减少分立立器件的的数目。开关管管选用MMOSFFET能能简化驱驱动电路路，减少少损耗。输出整整流管尽尽量采用用具有软软恢复特特性的二二极管。应选择择金属封封装、陶陶瓷封装装、玻璃璃封装的的器件。禁止选选用塑料料封装的的器件。集成电电路必须须是一类类品或者者是符合合MILLM385510、MILLS195500标标准B1以上质质量等级级的军品品。设

9、计时时尽量少少用继电电器，确确有必要要时应选选用接触触良好的的密封继继电器。原则上上不选用用电位器器，必须须保留的的应进行行固封处处理。吸收电电容器与与开关管管和输出出整流管管的距离离应当很很近，因因流过高高频电流流，故易易升温，所以要要求这些些电容器器具有高高频低损损耗和耐耐高温的的特性。在潮湿和和盐雾环环境下，铝电解解电容会会发生外外壳腐蚀蚀、容量量漂移、漏电流流增大等等情况，所以在在舰船和和潮湿环环境，最最好不要要用铝电电解电容容。由于于受空间间粒子轰轰击时，电解质质会分解解，所以以铝电解解电容也也不适用用于航天天电子设设备的电电源中。钽电解电电容温度度和频率率特性较较好，耐耐高低温温，

10、储存存时间长长，性能能稳定可可靠，但但钽电解解电容较较重、容容积比低低、不耐耐反压、高压品品种(1255V)较较少、价价格昂贵贵。关于降额额设计：电子元器器件的基基本失效效率取决决于工作作应力(包括电电、温度度、振动动、冲击击、频率率、速度度、碰撞撞等)。除个个别低应应力失效效的元器器件外，其它均均表现为为工作应应力越高高，失效效率越高高的特性性。为了了使元器器件的失失效率降降低，所所以在电电路设计计时要进进行降额额设计。降额程程度，除除可靠性性外还需需考虑体体积、重重量、成成本等因因素。不不同的元元器件降降额标准准亦不同同，实践践表明，大部分分电子元元器件的的基本失失效率取取决于电电应力和和

11、温度，因而降降额也主主要是控控制这两两种应力力，以下下为开关关电源常常用元器器件的降降额系数数：电阻的的功率降降额系数数在0.10.55之间。二极管管的功率率降额系系数在00.4以以下，反反向耐压压在0.5以下下。发光二二极管电电压降额额系数在在0.66以下，功率降降额系数数在0.6以下下。功率开开关管电电压降额额系数在在0.66以下，电流降降额系数数在0.5以下下。普通铝铝电解电电容和无无极性电电容的电电压降额额系数在在0.330.77之间。钽电容容的电压压降额系系数在00.3以以下。电感和和变压器器的电流流降额系系数在00.6以以下。（4)损损耗问题题损耗引起起的元器器件失效效取决于于工作

12、时时间的长长短，与与工作应应力无关关。铝电电解电容容长期在在高频下下工作会会使电解解液逐渐渐损失，同时容容量亦同同步下降降，当电电解液损损失400时，容量下下降200；电电解液损损失0时，容量下下降400，此此时电容容器芯子子已基本本干涸，不能再再予使用用。为防防止发生生故障，一般情情况下应应在图纸纸上标明明铝电解解电容器器更换的的时间，到期强强迫更换换。 22.5 保护电电路的设设置为使电源源能在各各种恶劣劣环境下下可靠地地工作，应设置置多种保保护电路路，如防防浪涌冲冲击、过过压、欠欠压、过过载、短短路、过过热等保保护电路路。 33 电磁磁兼容性性(EMMC)设设计开关电源源因采用用脉冲宽宽

13、度调制制(PWWM)技技术，其其脉冲波波形呈矩矩形，上上升沿与与下降沿沿均包含含大量的的谐波成成分，另另外输出出整流管管的反向向恢复也也会产生生电磁干干扰(EEMI)，这是是影响可可靠性的的不利因因素，因因而使电电磁兼容容性成为为系统的的重要问问题。产生电磁磁干扰有有三个必必要条件件：干扰扰源、传传输介质质、敏感感的接收收单元，EMCC设计就就是破坏坏这三个个条件中中的一个个。对于开关关电源而而言，主主要是抑抑制干扰扰源，干干扰源集集中在开开关电路路与输出出整流电电路。采采用的技技术包括括滤波技技术、布布局与布布线技术术、屏蔽蔽技术、接地技技术、密密封技术术等。EEMI按按传播途途径分为为传导

14、干干扰和辐辐射干扰扰。传导导噪声的的频率范范围很宽宽，从110kHHz30MMHz，我们虽虽然知道道产生干干扰的原原因，但但从效率率上来讲讲，通过过控制脉脉冲波形形的上升升与下降降时间来来解决未未必是一一个好办办法，解解决办法法之一是是加装电电源EMMI滤波波器、输输出滤波波器及吸吸收电路路，参见见图2。电源源EMII滤波器器实际上上是一种种低通滤滤波器，它毫无无衰减地地把500Hz或或4000Hz交交流电能能传递给给电子设设备，却却大大衰衰减传入入的干扰扰信号，同时又又能抑制制设备本本身产生生的干扰扰信号，防止它它窜入电电网，危危害公网网其它设设备。选选择EMMI滤波波器是根根据插入入损耗的

15、的大小来来选择滤滤波器网网络结构构和元器器件参数数，根据据实际要要求选择择额定电电压、额额定电流流、漏电电流、绝绝缘电阻阻、温度度条件等等参数。电源EEMI滤滤波器最最好安装装在机壳壳电源线线进口的的插座附附近。抑抑制输出出噪声的的对策基基本上按按10kkHz1500kHzz、1500kHzz10MMHz、10MMHz以以上三个个频段来来解决。10kkHz1500kHzz范围内内主要是是常态噪噪声，一一般采用用通用LLC滤波波器来解解决。1150kkHz10MMHz范范围内主主要是共共模成分分的噪声声，通常常采用共共模抑制制滤波器器来解决决。共模模扼流圈圈要采用用导磁率率高、频频率特性性较佳的

16、的铁氧体体磁性材材料，电电感量在在（12）mH、电电容量在在33000pFF47000pFF之间，如果控控制低频频段的噪噪声，可可以适当当加大LLC的取取值。在在10MMHz以以上频率率段的对对策是改改进滤波波器的外外形。输输出整流流二极管管的反向向恢复也也会引起起电磁干干扰，这这种情况况可以采采用RCC吸收电电路来抑抑制电流流的上升升率，通通常R在(220)之间间，C在10000pFF10nnF之间间，C应选用用高频瓷瓷介电容容。良好的布布局和布布线技术术也是控控制噪声声的一个个重要手手段。为为减少噪噪声的发发生和防防止由噪噪声导致致的误动动作，应应注意以以下几点点：尽量缩缩小由高高频脉冲冲

17、电流所所包围的的面积。缓冲电电路尽量量贴近开开关管和和输出整整流二极极管。脉冲电电流流过过的区域域远离输输入输出出端子，使噪声声源和出出口分离离。控制电电路和功功率电路路分开，采用单单点接地地方式，大面积积接地容容易引起起天线作作用，所所以建议议不要采采用大面面积接地地方式。必要时时可以将将输出滤滤波电感感安置在在地回路路上。采用多多只低EESR（等效串串联电阻阻）的电电容并联联滤波。采用铜铜箔进行行低感低低阻配线线。相邻印印制线之之间不应应有过长长的平行行线，走走线尽量量避免平平行，采采用垂直直交叉方方式，线线宽不要要突变，也不要要突然拐拐角。禁禁止环形形走线。滤波器器的输入入和输出出线必须

18、须分开。禁止将将开关电电源的输输入线和和输出线线捆扎在在一起。对于辐射射干扰主主要应用用密封屏屏蔽技术术，在结结构上实实行电磁磁封闭，要求外外壳各部部分之间间具有良良好的电电磁接触触，以保保证电磁磁的连续续性。目目前为减减少重量量大都采采用铝合合金外壳壳，但铝铝合金导导磁性能能差，因因而外壳壳需要镀镀一层镍镍或喷涂涂导电漆漆，内壁壁贴覆高高导磁率率的屏蔽蔽材料。外壳永永久连接接处用导导电胶粘粘牢或采采用连续续焊缝结结构，需需拆卸的的可以用用导电橡橡胶条压压紧来保保证电磁磁连续性性。导电电材料要要求导电电性能高高、有弹弹性、具具有最小小的宽厚厚比。 44 电源源设备可可靠性热热设计除了电应应力之

19、外外，温度度是影响响设备可可靠性最最重要的的因素。电源设设备内部部的温升升将导致致元器件件的失效效，当温温度超过过一定值值时，失失效率将将呈指数数规律增增加，温温度超过过极限值值时将导导致元器器件失效效。国外外统计资资料表明明电子元元器件温温度每升升高2，可靠靠性下降降10；温升550时的寿寿命只有有温升225时的1/6。需需要在技技术上采采取措施施限制机机箱及元元器件的的温升，这就是是热设计计。热设设计的原原则，一一是减少少发热量量，即选选用更优优的控制制方式和和技术，如移相相控制技技术、同同步整流流技术等等，另外外就是选选用低功功耗的器器件，减减少发热热器件的的数目，加大加加粗印制制线的宽

20、宽度，提提高电源源的效率率。二是是加强散散热，即即利用传传导、辐辐射、对对流技术术将热量量转移，这包括括采用散散热器、风冷(自然对对流和强强迫风冷冷)、液冷冷(水、油油)、热电电致冷、热管等等方法。强迫风冷冷的散热热量比自自然冷却却大十倍倍以上，但是要要增加风风机、风风机电源源、联锁锁装置等等，这不不仅使设设备的成成本和复复杂性增增加，而而且使系系统的可可靠性下下降，另另外还增增加了噪噪声和振振动，因因而在一一般情况况下应尽尽量采用用自然冷冷却，而而不采用用风冷、液冷之之类的冷冷却方式式。在元元器件布布局时，应将发发热器件件安放在在下风位位置或在在印制板板的上部部，散热热器采用用氧化发发黑工艺

21、艺处理，以提高高辐射率率，不允允许用黑黑漆涂覆覆。喷涂涂三防漆漆后会影影响散热热效果，需要适适当加大大裕量。散热器器安装器器件的平平面要求求光滑平平整，一一般在接接触面涂涂上硅脂脂以提高高导热率率。变压压器和电电感线圈圈应选用用较粗的的导线来来抑制温温升。 55 安全全性设计计对于电源源而言，安全性性历来被被确定为为最重要要的性能能之一，不安全全的产品品不但不不能完成成规定的的功能，而且还还有可能能发生严严重事故故，造成成机毁人人亡的巨巨大损失失。为保保证产品品具有相相当高的的安全性性，必须须进行安安全性设设计。电电源产品品安全性性设计的的内容主主要是防防止触电电和烧伤伤。对于商用用设备市市场

22、，具具有代表表性的安安全标准准有ULL、CSAA、VDEE等，内内容因用用途而异异，容许许泄漏电电流在00.5mmA5mAA之间，我国军军用标准准GJBB14112规定定的泄漏漏电流小小于5mmA。电电源设备备对地泄泄漏电流流的大小小取决于于EMII滤波器器电容CCy的容容量，如如图2所示。从EMMI滤波波器角度度出发电电容Cyy的容量量越大越越好，但但从安全全性角度度出发电电容Cyy的容量量越小越越好，电电容Cyy的容量量根据安安全标准准来决定定。若电电容Cxx的安全全性能欠欠佳，电电网瞬态态尖峰出出现时可可能被击击穿，它它的击穿穿虽然不不危及人人身安全全，但会会使滤波波器丧失失滤波功功能。为为了防止止误触电电，插头头座原则则上产品品端(非