軍用開關(guān)電源可靠性設(shè)計(jì)研究

摘要： 對(duì)影響軍用 PWM 型開關(guān)穩(wěn)壓電源可靠性的因素作出較為詳細(xì)的分析比較，并從工程實(shí)際出發(fā)提出一些提高開關(guān)電源可靠性的建議。

1 引言

電子產(chǎn)品，特別是軍用穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，不但要考慮電源本身參數(shù)設(shè)計(jì)，還要考慮電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)等方面。因?yàn)槿魏畏矫婺桥率亲钗⑿〉氖韬觯伎赡軐?dǎo)致整個(gè)電源的崩潰，所以我們應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到電源產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的重要性。

2 開關(guān)電源電氣可靠性設(shè)計(jì)

2.1 供電方式的選擇

集中式供電系統(tǒng)各輸出之間的偏差以及由于傳輸距離的不同而造成的壓差降低了供電質(zhì)量，而且應(yīng)用單臺(tái)電源供電，當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。分布式供電系統(tǒng)因供電單元靠近負(fù)載，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，供電質(zhì)量好，傳輸損耗小，效率高，節(jié)約能源，可靠性高，容易組成 N ＋ 1 冗余供電系統(tǒng)，擴(kuò)展功率也相對(duì)比較容易。所以采用分布式供電系統(tǒng)可以滿足高可靠性設(shè)備的要求。

2.2 電路拓?fù)涞倪x擇

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?fù)?。單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開關(guān)管的承壓在兩倍輸入電壓以上，如果按 60 ％降額使用，則使開關(guān)管不易選型。在推挽和全橋拓?fù)渲锌赡艹霈F(xiàn)單向偏磁飽和，使開關(guān)管損壞，而半橋電路因?yàn)榫哂凶詣?dòng)抗不平衡能力，所以就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。雙管正激式和半橋電路開關(guān)管的承壓僅為電源的最大輸入電壓，即使按 60 ％降額使用，選用開關(guān)管也比較容易。在高可靠性工程上一般選用這兩類電路拓?fù)洹?

2.3 控制策略的選擇

在中小功率的電源中，電流型 PWM 控制是大量采用的方法，它較電壓控制型有如下優(yōu)點(diǎn)：逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會(huì)因過流而使開關(guān)管損壞，大大減小過載與短路的保護(hù)；優(yōu)良的電網(wǎng)電壓調(diào)整率；迅捷的瞬態(tài)響應(yīng)；環(huán)路穩(wěn)定，易補(bǔ)償；紋波比電壓控制型小得多。生產(chǎn)實(shí)踐表明電流控制型的 50W 開關(guān)電源的輸出紋波在 25mV 左右，遠(yuǎn)優(yōu)于電壓控制型。

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)是應(yīng)用諧振原理，使開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下通斷，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可將開關(guān)頻率提高到兆赫級(jí)水平，這種應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)的變換器綜合了 PWM 變換器和諧振變換器兩者的優(yōu)點(diǎn)，接近理想的特性，如低開關(guān)損耗、恒頻控制、合適的儲(chǔ)能元件尺寸、較寬的控制范圍及負(fù)載范圍，但是此項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于大功率電源，中小功率電源中仍以 PWM 技術(shù)為主。

2.4 元器件的選用

因?yàn)樵骷苯記Q定了電源的可靠性，所以元器件的選用非常重要。元器件的失效主要集中在以下四個(gè)方面：

(1) 制造質(zhì)量問題

質(zhì)量問題造成的失效與工作應(yīng)力無關(guān)。質(zhì)量不合格的可以通過嚴(yán)格的檢驗(yàn)加以剔除，在工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)選用定點(diǎn)生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品，不允許使用沒有經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品。

(2) 元器件可靠性問題

元器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機(jī)性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問題的區(qū)別是元器件的失效率取決于工作應(yīng)力水平。在一定的應(yīng)力水平下，元器件的失效率會(huì)大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數(shù)不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等，應(yīng)進(jìn)行篩選試驗(yàn)，這是一種非破壞性試驗(yàn)。通過篩選可使元器件失效率降低 1 ～ 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)然篩選試驗(yàn)代價(jià) ( 時(shí)間與費(fèi)用 ) 很大，但綜合維修、后勤保障、整架聯(lián)試等還是合算的，研制周期也不會(huì)延長(zhǎng)。電源設(shè)備主要元器件的篩選試驗(yàn)一般要求：

① 電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行 100 ％測(cè)試，剔除不合格品。

② 普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行 100 ％測(cè)試，剔除不合格品。

③ 接插件按技術(shù)條件抽樣檢測(cè)各種參數(shù)。

④ 半導(dǎo)體器件按以下程序進(jìn)行篩選：

目檢 → 初測(cè) → 高溫貯存 → 高低溫沖擊 → 電功率老化 → 高溫測(cè)試 → 低溫測(cè)試 → 常溫測(cè)試

篩選結(jié)束后應(yīng)計(jì)算剔除率 Q
Q=(n / N)×100%
式中： N—— 受試樣品總數(shù)； n—— 被剔除的樣品數(shù)； 如果 Q 超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，則本批元器件全部不準(zhǔn)上機(jī)，并按有關(guān)規(guī)定處理。

在符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，則將篩選合格的元器件打漆點(diǎn)標(biāo)注，然后入專用庫房供裝機(jī)使用。

(3) 設(shè)計(jì)問題

首先是恰當(dāng)?shù)剡x用合適的元器件：

① 盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。

② 多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目。

③ 開關(guān)管選用 MOSFET 能簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，減少損耗。

④ 輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管。

⑤ 應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件。

⑥ 集成電路必須是一類品或者是符合 MIL － M － 38510 、 MIL － S － 19500 標(biāo)準(zhǔn) B － 1 以上質(zhì)量等級(jí)的軍品。

⑦ 設(shè)計(jì)時(shí)盡量少用繼電器，確有必要時(shí)應(yīng)選用接觸良好的密封繼電器。

⑧ 原則上不選用電位器，必須保留的應(yīng)進(jìn)行固封處理。

⑨ 吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。

在潮濕和鹽霧環(huán)境下，鋁電解電容會(huì)發(fā)生外殼腐蝕、容量漂移、漏電流增大等情況，所以在艦船和潮濕環(huán)境，最好不要用鋁電解電容。由于受空間粒子轟擊時(shí)，電解質(zhì)會(huì)分解，所以鋁電解電容也不適用于航天電子設(shè)備的電源中。

鉭電解電容溫度和頻率特性較好，耐高低溫，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠，但鉭電解電容較重、容積比低、不耐反壓、高壓品種 (>125V) 較少、價(jià)格昂貴。

關(guān)于降額設(shè)計(jì)：

電子元器件的基本失效率取決于工作應(yīng)力 ( 包括電、溫度、振動(dòng)、沖擊、頻率、速度、碰撞等 ) 。除個(gè)別低應(yīng)力失效的元器件外，其它均表現(xiàn)為工作應(yīng)力越高，失效率越高的特性。為了使元器件的失效率降低，所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。降額程度，除可靠性外還需考慮體積、重量、成本等因素。不同的元器件降額標(biāo)準(zhǔn)亦不同，實(shí)踐表明，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應(yīng)力和溫度，因而降額也主要是控制這兩種應(yīng)力，以下為開關(guān)電源常用元器件的降額系數(shù)：

① 電阻的功率降額系數(shù)在 0.1 ～ 0.5 之間。

② 二極管的功率降額系數(shù)在 0.4 以下，反向耐壓在 0.5 以下。

③ 發(fā)光二極管電壓降額系數(shù)在 0.6 以下，功率降額系數(shù)在 0.6 以下。

④ 功率開關(guān)管電壓降額系數(shù)在 0.6 以下，電流降額系數(shù)在 0.5 以下。

⑤ 普通鋁電解電容和無極性電容的電壓降額系數(shù)在 0.3 ～ 0.7 之間。

⑥ 鉭電容的電壓降額系數(shù)在 0.3 以下。

⑦ 電感和變壓器的電流降額系數(shù)在 0.6 以下。

(4) 損耗問題

損耗引起的元器件失效取決于工作時(shí)間的長(zhǎng)短，與工作應(yīng)力無關(guān)。鋁電解電容長(zhǎng)期在高頻下工作會(huì)使電解液逐漸損失，同時(shí)容量亦同步下降，當(dāng)電解液損失 40 ％時(shí)，容量下降 20 ％；電解液損失 0 ％時(shí)，容量下降 40 ％，此時(shí)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(shí)間，到期強(qiáng)迫更換。

2.5 保護(hù)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(hù)電路，如防浪涌沖擊、過壓、欠壓、過載、短路、過熱等保護(hù)電路。