開關(guān)電源設(shè)計的可靠性研究

現(xiàn)如今，電子產(chǎn)品的質(zhì)量不可或缺的兩大性能——技術(shù)性和可靠性。作為一個成功電子產(chǎn)品的出臺，兩方面的綜合水平影響著產(chǎn)品質(zhì)量。電源作為一個電子系統(tǒng)中重要的部件，其可靠性決定了整個系統(tǒng)的安全性能，開關(guān)電源由于體積小，效率高而在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而如何提高開關(guān)電源的可靠性則是電力電子技術(shù)大步跨越的重要轉(zhuǎn)折點。

1、電磁兼容性(EMC)設(shè)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。其產(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(shè)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)。

2、開關(guān)電源電氣可靠性工程設(shè)計技術(shù)

對于功率因數(shù)校正技術(shù)具體是指由于開關(guān)電源的諧波電流污染電網(wǎng)，干擾了其它共網(wǎng)設(shè)備，可能會使采用三相四線制的中線電流過大，引發(fā)事故，一般選擇的解決途徑是采用具有功率因素校正技術(shù)的開關(guān)電源。

在保護電路的方面，為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應(yīng)在設(shè)計時加入多種保護電路，如防浪涌沖擊、過欠壓、過載、短路、過熱等保護電路措施。

對于控制策略的選擇，追溯于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10mV，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350kHz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(yīng)用于大功率系統(tǒng)，小功率系統(tǒng)中較少見。

對于供電方式，一般分為集中式供電系統(tǒng)和分布式供電?，F(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(shè)備的要求。

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尤為重要。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(shè)計問題、損耗問題。在使用中應(yīng)對此予以足夠重視。

對于電路拓撲，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600V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，一般來說這三種拓撲在高壓輸入電路中得到廣泛的應(yīng)用。

3、電源設(shè)備可靠性熱設(shè)計技術(shù)

專家指出除電應(yīng)力之外，溫度是影響設(shè)備可靠性最重要的因素之一，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。由于溫度的影響，就需要在技術(shù)上采取措施限制機箱及元器件的溫升——熱設(shè)計。熱設(shè)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(shè)計、風冷(自然對流和強迫風冷)設(shè)計、液冷(水、油)設(shè)計、熱電致冷設(shè)計、熱管設(shè)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(shè)計中要根據(jù)實際情況選取散熱方式。