開關(guān)電源可靠性設(shè)計研究

　　損耗引起的元器件失效取決于工作時間的長短，與工作應(yīng)力無關(guān)。鋁電解電容長期在高頻下工作會使電解液逐漸損失，同時容量亦同步下降，當(dāng)電解液損

失40％時，容量下降20％；電解液損失90％時，容量下降40％，此時電容器芯子已基本干涸，不能再予使用。為防止發(fā)生故障，一般情況下應(yīng)在圖紙上標(biāo)明鋁電解電容器更換的時間，到期強迫更換。

2.5保護電路的設(shè)置

　　為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應(yīng)設(shè)置多種保護電路，如防浪涌沖擊、過壓、欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。

3電磁兼容性(EMC)設(shè)計

　　開關(guān)電源因采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，其脈沖波形呈矩形，上升沿與下降沿均包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢復(fù)也會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，這是影響可靠性的不利因素，因而使電磁兼容性成為系統(tǒng)的重要問題。

　　如圖1所示，產(chǎn)生電磁干擾有三個必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感的接收單元，EMC設(shè)計就是破壞這三個條件中的一個。

圖1形成電磁干擾的三個條件

　　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。EMI按傳播途徑分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)噪聲的頻率范圍很寬，從10kHz～30MHz，我們雖然知道產(chǎn)生干擾的原因，但從效率上來講，通過控制脈沖波形的上升與下降時間來解決未必是一個好辦法，解決辦法之一是加裝電源EMI濾波器、輸出濾波器及吸收電路，參見圖2。電源EMI濾波器實際上是一種低通濾波器，它毫無衰減地把50Hz或400Hz交流電能傳遞給電子設(shè)備，卻大大衰減傳入的干擾信號，同時又能抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的干擾信號，防止它竄入電網(wǎng)，危害公網(wǎng)其它設(shè)備。選擇EMI濾波器是根據(jù)插入損耗的大小來選擇濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)，根據(jù)實際要求選擇額定電壓、額定電流、漏電流、絕緣電阻、溫度條件等參數(shù)。電源EMI濾波器最好安裝在機殼電源線進口的插座附近。抑制輸出噪聲的對策基本上按10kHz～150kHz、150kHz～10MHz、10MHz以上三個頻段來解決。10kHz～150kHz范圍內(nèi)主要是常態(tài)噪聲，一般采用通用LC濾波器來解決。150kHz～10MHz范圍內(nèi)主要是共模成分的噪聲，通常采用共模抑制濾波器來解決。共模扼流圈要采用導(dǎo)磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料，電感量在（1～2）mH、電容量在3300pF～4700pF之間，如果控制低頻段的噪聲，可以適當(dāng)加大LC的取值。在10MHz以上頻率段的對策是改進濾波器的外形。輸出整流二極管的反向恢復(fù)也會引起電磁干擾，這種情況可以采用RC吸收電路來抑制電流的上升率，通常R在(2～20)Ω之間，C在1000pF～10nF之間，C應(yīng)選用高頻瓷介電容。

　　良好的布局和布線技術(shù)也是控制噪聲的一個重要手段。為減少噪聲的發(fā)生和防止由噪聲導(dǎo)致的誤動作，應(yīng)注意以下幾點：

　　①盡量縮小由高頻脈沖電流所包圍的面積。

　　②緩沖電路盡量貼近開關(guān)管和輸出整流二極管。

　?、勖}沖電流流過的區(qū)域遠離輸入輸出端子，使噪聲源和出口分離。

　?、芸刂齐娐泛凸β孰娐贩珠_，采用單點接地方式，大面積接地容易引起天線作用，所以建議不要采用大面積接地方式。

　?、荼匾獣r可以將輸出濾波電感安置在地回路上。

　?、薏捎枚嘀坏虴SR（等效串聯(lián)電阻）的電容并聯(lián)濾波。

　?、卟捎勉~箔進行低感低阻配線。

　?、嘞噜徲≈凭€之間不應(yīng)有過長的平行線，走線盡量避免平行，采用垂直交叉方式，線寬不要突變，也不要突然拐角。禁止環(huán)形走線。

　?、釣V波器的輸入和輸出線必須分開。禁止將開關(guān)

電源的輸入線和輸出線捆扎在一起。

　　對于輻射干擾主要應(yīng)用密封屏蔽技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上實行電磁封閉，要求外殼各部分之間具有良好的電磁接觸，以保證電磁的連續(xù)性。目前為減少重量大都采用鋁合金外殼，但鋁合金導(dǎo)磁性能差，因而外殼需要鍍一層鎳或噴涂導(dǎo)電漆，內(nèi)壁貼覆高導(dǎo)磁率的屏蔽材料。外殼永久連接處用導(dǎo)電膠粘牢或采用連續(xù)焊縫結(jié)構(gòu)，需拆卸的可以用導(dǎo)電橡膠條壓緊來保證電磁連續(xù)性。導(dǎo)電材料要求導(dǎo)電性能高、有彈性、具有最小的寬厚比。

4電源設(shè)備可靠性熱設(shè)計

除了電應(yīng)力之外，溫度是影響設(shè)備可靠性最重要的因素。電源設(shè)備內(nèi)部的溫升將導(dǎo)致元器件的失效，當(dāng)溫度超過一定值時，失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加，溫度超過極限值時將導(dǎo)致元器件失效。國外統(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。需要在技術(shù)上采取措施限制機箱及元器件的溫升，這就是熱設(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，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強散熱，即利用傳導(dǎo)、輻射、對流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括采用散熱器、風(fēng)冷(自然對流和強迫風(fēng)冷)、液冷(水、油)、熱電致冷、熱管等方法。

　　強迫風(fēng)冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上，但是要增加風(fēng)機、風(fēng)機電源、聯(lián)鎖裝置等，這不僅使設(shè)備的成本和復(fù)雜性增加，而且使系統(tǒng)的可靠性下降，另外還增加了噪聲和振動，因而在一般情況下應(yīng)盡量采用自然冷卻，而不采用風(fēng)冷、液冷之類的冷卻方式。在元器件布局時，應(yīng)將發(fā)熱器件安放在下風(fēng)位置或在印制板的上部，散熱器采用氧化發(fā)黑工藝處理，以提高輻射率，不允許用黑漆涂覆。噴涂三防漆后會影響散熱效果，需要適當(dāng)加大裕量。散熱器安裝器件的平面要求光滑平整，一般在接觸面涂上硅脂以提高導(dǎo)熱率。變壓器和電感線圈應(yīng)選用較粗的導(dǎo)線來抑制溫升。

5安全性設(shè)計

對于電源而言，安全性歷來被確定為最重要的性能之一，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規(guī)定的功能，而且還有可能發(fā)生嚴重事故，造成機毀人亡的巨大損失。為保證產(chǎn)品具有相當(dāng)高的安全性，必須進行安全性設(shè)計。電源產(chǎn)品安全性設(shè)計的內(nèi)容主要是防止觸電和燒傷。

　　對于商用設(shè)備市場，具有代表性的安全標(biāo)準(zhǔn)有UL、CSA、VDE等，內(nèi)容因用途而異，容許泄漏電流在0.5mA～5mA之間，我國軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5mA。電源設(shè)備對地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器電容Cy的容量，如圖2所示。從EMI濾波器角度出發(fā)電容Cy的容量越大越好，但從安全性角度出發(fā)電容Cy的容量越小越好，電容Cy的容量根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)來決定。若電容Cx的安全性能欠佳，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時可能被擊穿，它的擊穿雖然不危及人身安全，但會使濾波器喪失濾波功能。為了防止誤觸電，插頭座原則上產(chǎn)品端(非電源端)為針，電網(wǎng)端(電源端)為孔；電源設(shè)備之輸入端為針，輸出端為孔。

　　為了防止燒傷，對于可能與人體接觸的暴露部件(散熱器、機殼等)，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時，其最高溫度不應(yīng)超過60℃，面板和手動調(diào)節(jié)部分的最高溫度不超過50℃。

6三防設(shè)計

三防設(shè)計是指防潮設(shè)計、防鹽霧設(shè)計和防霉菌設(shè)計。

　　在設(shè)計時，對于密封有要求的元器件應(yīng)采取密封措施；對于不可修復(fù)的組合裝置可采用環(huán)氧樹脂灌封；所用元器件、原材料的吸濕度應(yīng)較小，不得使用含有棉、麻、絲等易霉制品；對密封機箱、機柜應(yīng)設(shè)置防護網(wǎng)，以防昆蟲和嚙齒動物進入；直接暴露在大氣中裝置的外頂部不應(yīng)采用凹陷結(jié)構(gòu)，避免積水導(dǎo)致腐蝕；可以選用耐蝕材料，再通過鍍、涂或化學(xué)處理使電子設(shè)備及其零部件的表面覆蓋一層金屬或非金屬保護膜，隔離周圍介質(zhì)；在結(jié)構(gòu)上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環(huán)境；對印制板及組件表面涂覆專用的三防清漆可以有效地避免導(dǎo)線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性；電感、變壓器應(yīng)進行浸漆、端封，以防潮氣進入引發(fā)短路事故。

7結(jié)語

以上建議只適用于軍用電源，對于商用和工業(yè)用產(chǎn)品可以在某些方面作出不同的選擇?？傊?，電源設(shè)備可靠性的高低，不僅與電氣設(shè)計，而且同元器件、結(jié)構(gòu)、裝配、工藝、加工質(zhì)量等方面有關(guān)?？煽啃允且栽O(shè)計為基礎(chǔ)，在實際工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過各種試驗取