高可靠性與超寬環(huán)境溫度的混合集成DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

表4環(huán)境溫度對(duì)電容器可靠性的影響環(huán)境溫度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10－9h]52570
由表4可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta[℃]從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了14倍。

英國(guó)曾發(fā)表電容器失效率λ正比于工作電壓的5次方的資料，稱(chēng)為“五次定律”，即λ ∝U5。

當(dāng)U=UR/2，

λ=λR/25=λR/32(λR為額定失效率)

即電容器工作電壓降低到額定值的50％時(shí)，失效率可以減小32倍之多。

3）碳膜電阻器

以PD/PR=0.5設(shè)計(jì)，則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表5所列。

表5環(huán)境溫度對(duì)碳膜電阻器可靠性的影響環(huán)境溫度Ta[℃]205080
失效率λ[1/109h]124
由表5可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta[℃]從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了4倍。

碳膜電阻器使用于軍品的數(shù)據(jù)如表6所列。

表6PD/PR對(duì)碳膜電阻器失效率的影響PD/PR00.20.40.60.81.0
失效率λ[1/109h]0.250.51.22.54.07.0
由表6可知，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比PD/PR=0.2時(shí)增加了8倍。

23失效率曲線

元器件失效率的盆底曲線如圖1所示。

失效率λ與工作時(shí)間的關(guān)系為

1）早期失效期

λ高但迅速下降，差的元器件在短期工作后失效，可用篩選老化來(lái)淘汰早期失效的元器件。

2）有效工作期

λ低而固定，元器件因多種不同原因而失效。

3）壽命結(jié)束期

λ高而迅速上升，大部分元器件因損耗而失效。

24經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)際使用中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為

——半導(dǎo)體元器件負(fù)荷率應(yīng)在0.3左右；而此電源使用負(fù)荷設(shè)定小于0.2。

——電容器負(fù)荷率（工作電壓和額定電壓之比）最好在0.5左右，一般不要超過(guò)0.8；而此電源使用負(fù)荷設(shè)定小于0.5，并且盡量使用無(wú)極性電容器。

——電阻器、電位器、負(fù)荷率≤0.5。而此電源使用厚膜燒結(jié)電阻，可靠性將更高。

總之，對(duì)各種元器件的負(fù)荷率只要有可能，一般應(yīng)保持在≤0.3。不得已時(shí)，通常也應(yīng) ≤0.5。

25可靠性設(shè)計(jì)原則

綜上所述，我們可以得出設(shè)計(jì)此特種電源的可靠性設(shè)計(jì)原則。

首先將此電源視為一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)工程，視為由幾個(gè)子單元組成的較大電子系統(tǒng)。提高它的可靠性主要從下幾方面（其重要性依次遞減）入手。

1）對(duì)于關(guān)鍵元器件，采用并聯(lián)方式，保證此單元有足夠的冗余度

如圖2所示的R1、R6；C9、C11。

2）原則上要盡一切可能減少元器件使用數(shù)目經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證R11、C8、D6完全可以去掉。

3）在同等體積下盡量采用高額度的元器件例如T1、V1、L1、L2、L3。

4）選用高質(zhì)量等級(jí)的元器件IC1、IC2、DZ1選用特軍級(jí)。

5）原則上不選用電解質(zhì)電容盡量選用無(wú)極性

介質(zhì)電容。例如：C2、C5、C6、C7。

6）沒(méi)有接線或連接器采用厚膜混合技術(shù)。

7）品質(zhì)檢查（進(jìn)行老化、在線驗(yàn)測(cè)，執(zhí)行ISO9000系列標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)廠后還要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的老化、篩選。

上述七個(gè)方面便是此電源選用元器件的原則。

3電源工作方式與關(guān)鍵元器件的選擇

31電源工作方式的選擇

兩種不同的電源工作方式比較情況如表7所示。

表7電流反饋單端正激式電源和電壓反饋

推挽式電源的比較電流反饋單端正激式電源電壓反饋推挽式電源元器件數(shù)少較多
工作頻率提高容易（最高可大于800kHz）不容易（250kHz）
高低溫穩(wěn)定性很好一般
功率密度較高低
工作應(yīng)力較小大
振蕩過(guò)沖很小較大
過(guò)流保護(hù)自帶外加
從表7的對(duì)比我們不難看出，電流反饋單端正激式的突出優(yōu)點(diǎn)在于

1）高頻率工作下的低應(yīng)力；

2）同樣功率的電源所用的元器件較少；

3）因?yàn)槠錇殡娏鞣答伿?，使其先天地具有高、低溫穩(wěn)定性強(qiáng)于電壓反饋式的優(yōu)點(diǎn)。

此電源原理圖如圖2所示。

32關(guān)鍵元器件的選擇

1）主電路1843的選擇

一般似乎認(rèn)為，只要是1843它都應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足在全溫度范圍（－55℃～＋125℃）內(nèi)的所有主要技術(shù)指標(biāo)，如基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定度，設(shè)定的振蕩頻率等，但在實(shí)際中往往不是這樣。在占空比D=50％，腳6模擬負(fù)載R=75Ω，C=2200pF，R,C并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)條件下，振蕩頻率穩(wěn)定度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

從表8我們不難看出以下幾點(diǎn)：

——對(duì)3843來(lái)講，高溫參數(shù)的嚴(yán)重漂移應(yīng)在情理之中，因?yàn)樵诖烁邷叵缕浼夹g(shù)指標(biāo)不能滿(mǎn)足穩(wěn)定度的要求，特別應(yīng)該注意的是，同為UC3843，不同年份生產(chǎn)的同類(lèi)產(chǎn)品其性能指標(biāo)也存在巨大的差異。

——對(duì)1843來(lái)講，不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，其振蕩頻率高溫穩(wěn)定性也同樣存在較大的差異。這一點(diǎn)更應(yīng)當(dāng)引起各位同行，特別是軍品生產(chǎn)單位同仁們的注意。在高溫下基本振蕩頻率的嚴(yán)重漂移，所帶來(lái)最直接的后果是不言而喻的。它已經(jīng)嚴(yán)重破壞了電源本身的基本參數(shù)（主變壓器的工作特性）使電源在高溫下無(wú)法正常工作。