開關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)

開關(guān)電源是各種系統(tǒng)的核心部分。開關(guān)電源的需求越來越大，同時對可靠性提出了越來越高的要求。涉及系統(tǒng)可靠性的因素很多。目前，人們認(rèn)識上的主要誤區(qū)是把可靠性完全（或基本上）歸結(jié)于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和環(huán)境溫度對可靠性的決定性的作用。據(jù)美國海軍電子實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，整機(jī)出現(xiàn)故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。

在民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域，日本的統(tǒng)計(jì)資料表明，可靠性問題80％源于設(shè)計(jì)方面（日本把元器件的選型、質(zhì)量級別的確定、元器件的負(fù)荷率等部分也歸入設(shè)計(jì)上的原因）。以上兩方面的數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)及元器件（元器件的選型，質(zhì)量級別的確定，元器件的負(fù)荷率）的原因造成的故障，在開關(guān)電源故障原因中占80％左右。減少這兩方面造成的開關(guān)電源故障，具有重要的意義。總之，對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，需要明確建立“可靠性”這個重要概念，把系統(tǒng)的可靠性作為重要的技術(shù)指標(biāo)，認(rèn)真對待開關(guān)電源可靠性的設(shè)計(jì)工作，并采取足夠的措施提高開關(guān)電源的可靠性，才能使系統(tǒng)和產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定、可靠的目標(biāo)。本文就從這兩個方面來研

2 系統(tǒng)可靠性的定義及指標(biāo)

國際上，通用的可靠性定義為：在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。此定義適用于一個系統(tǒng)，也適用于一臺設(shè)備或一個單元。描述這種隨機(jī)事件的概率可用來作為表征開關(guān)電源可靠性的特征量和特征函數(shù)。從而，引出可靠度[R（t）]的定義：系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。

如系統(tǒng)在開始 （t=0）時有n0個元件在工作，而在時間為t時仍有n個元件在正常工作，

則可靠性　　 R(t)=n/n0　　0≤R(t) ≤1

失效率　　 λ(t)= - dinR(t)/dt

λ定義為該種產(chǎn)品在單位時間內(nèi)的故障數(shù)，即λ=dn/dt。

如失效率λ為常數(shù)，則 

dn/dt=-λt

n=n0e-λt

R(t)=e-λt0　　　　　

MTBF（平均無故障時間）=1/λ

平均無故障時間（MTBF）是開關(guān)電源的一個重要指標(biāo)，用來衡量開關(guān)電源的可靠性。

3　影響開關(guān)電源可靠性的因素
　　
從各研究機(jī)構(gòu)研究成果可以看出，環(huán)境溫度和負(fù)荷率對可靠性影響很大，這兩個方面對開關(guān)電源的影響很大，下面將從這兩方面分析，如何設(shè)計(jì)出高可靠的開關(guān)電源。其中：PD為使用功率；PR為額定功率主。UD為使用電壓；UR為額定電壓。

3.1 環(huán)境溫度對元器件的影響

3.1.1 環(huán)境溫度對半導(dǎo)體的影響

硅三極管以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)，則環(huán)溫度對可靠性的影響，如表2所示。

由表2可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時，失效率增加了30倍。

3.1.2 環(huán)境溫度對電容器的影響
　 
以UD/UR=0.65使用負(fù)荷設(shè)計(jì) 則環(huán)境溫度對可靠性的影響如表3所示。

從表3可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時，失效率增加了14倍。

3.1.3 環(huán)境溫度對電阻器的影響

以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)，則環(huán)境溫度對可靠性的影響如表4所示。

從表4可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時，失效率增加了4倍。

3.2 負(fù)荷率對元器件的影響

3.2.1 負(fù)荷率對半導(dǎo)體的影響
　　　 
當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時，PD/PR對失效率的影響如表5所示。

由表5可知，當(dāng)PD/PR=0.8時，失效率比0.2時增加了1000倍。

3.2.2 負(fù)荷率對電阻的影響

負(fù)荷率對電阻的影響如表6所示。

從表6可以看出，當(dāng)PD/PR=0.8時，失效率比PD/PR=0.2時增加了8倍。

4　可靠性設(shè)計(jì)的原則

我們可以從上面的分析中得出開關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)原則。

4.1可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)包含定量的可靠性要求。

4.2可靠性設(shè)計(jì)與器件的功能設(shè)計(jì)相結(jié)合，在滿足器件性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量提高器件的可靠性水平。

4.3應(yīng)針對器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相應(yīng)制約因素進(jìn)行綜合平衡設(shè)計(jì)。

4.4在可靠性設(shè)計(jì)中盡可能采用國、內(nèi)外成熟的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝和新原理。

4.5對于關(guān)鍵性元器件，采用并聯(lián)方式，保證此單元有足夠的冗佘度。

4.6 原則上要盡一切可能減少元器件使用數(shù)目。

4.7在同等體積下盡量采用高額度的元器件。

4.8 選用高質(zhì)量等級的元器件。

4.9 原則上不選用電解電容。

4.10 對電源進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，控制環(huán)境溫度，不致溫度過高，導(dǎo)致元器件失效率增加。

4.11 盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。

4.12 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。

5　可靠性設(shè)計(jì)

5.1 負(fù)荷率的設(shè)計(jì)

由于負(fù)荷率對可靠性有重大影響，故可靠性設(shè)計(jì)重要的一個方面是負(fù)荷率的設(shè)計(jì)，跟據(jù)元器件的特性及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，元器件的負(fù)荷率在下列數(shù)值時，電源系統(tǒng)的可靠性及成本是較優(yōu)

5.1.1半導(dǎo)體元器件
　　　
半導(dǎo)體元器件的電壓降額應(yīng)在0.6以下，電流降額系數(shù)應(yīng)在0.5以下。半導(dǎo)體元器件除負(fù)荷率外還有容差設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)開關(guān)電源時，應(yīng)適當(dāng)放寬半導(dǎo)體元器件的參數(shù)允許變化范圍，包括制造容差、溫度漂移、時間漂移、輻射導(dǎo)致的漂移等。以保證半導(dǎo)體元器件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時，開關(guān)電源仍能正常工作。

5.1.2電容器
　　　 
電容器的負(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0.8，并且盡量使用無極性電容器。而且，在高頻應(yīng)用的情況下，電壓降額幅度應(yīng)進(jìn)一步加大，對電解電容器更應(yīng)如此。應(yīng)特別注意，電容器有低壓失效的問題，對于普通鋁電解電容器和無極性電容的電壓降額不低于0.3，但鉭電容的電壓降額應(yīng)在0.3以下。電壓降額不能太多，否則電容器的失效率將上升。

5.1.3電阻器、電位器
　　　 
電阻器、電位器的負(fù)荷率要小于0.5,此為電阻器設(shè)計(jì)的上限值；但是大量試驗(yàn)證明，當(dāng)電阻器降額數(shù)低于0.1時，將得不到預(yù)期的效果，失效率有所增加，電阻降額系數(shù)以0.1為可靠性降額設(shè)計(jì)的下限值。
　　　 
總之，對各種元器件的負(fù)荷率只要有可能，一般應(yīng)保持在0.3左右。最好不要超過0.5。這樣的負(fù)荷率，對電源系統(tǒng)造成不可靠的機(jī)率是非常小的。

5.2 電源的熱設(shè)計(jì)
　　　　
開關(guān)電源內(nèi)部過高的溫升將會導(dǎo)致溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效。當(dāng)溫度超過一定值時，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計(jì)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。除了電應(yīng)力之外，溫度是影響開關(guān)電源可靠性的最重要的因素。高頻開關(guān)電源有大功率發(fā)熱器件，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一，完整的熱設(shè)計(jì)包括兩個方面：一 如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量；二 如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。使開關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內(nèi)，以保證開關(guān)電源的可靠性。下面將從這兩個方面論述。

5.2.1 控制發(fā)熱量的設(shè)計(jì)
　　　　
開關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開關(guān)管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減小它的發(fā)熱量，不僅可以提高功率管的可靠性，而且可以提高開關(guān)電源的可靠性，提高平均無故障時間（MTBF）。開關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的，開關(guān)管的損耗由開關(guān)過程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成，減小通態(tài)損耗可以通過選用低通態(tài)電阻的開關(guān)管來減小通態(tài)損耗；開關(guān)過程損耗是由于柵電荷大小及開關(guān)時間引起的，減小開關(guān)過程損耗可以選擇開關(guān)速度更快、恢復(fù)時間更短的器件來減少。但更為重要的是通過設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來減小損耗，如采用軟開關(guān)技術(shù)，可以大大減小這種損耗。減小功率二極管的發(fā)熱量，對交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會有更好的控制技術(shù)來減小損耗，可以通過選擇高質(zhì)量的二極管來減小損耗。對于變壓器二次側(cè)的整流可以選擇效率更高的同步整流技術(shù)來減小損耗。對于高頻磁性材料引起的損耗，要盡量避免趨膚效應(yīng)，對于趨膚效應(yīng)造成的影響，可采用多股細(xì)漆包線并繞的辦法來解決。

5.2.2 開關(guān)電源的散熱設(shè)計(jì)
　　 
MOS管導(dǎo)通時有一定的壓降，也即器件有一定的損耗，它將引起芯片的溫升，但是器件的發(fā)熱情況與其耐熱能力和散熱條件有關(guān)。由此，器件功耗有一定的容限。其值按熱歐姆定律可表示為：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
                                                                                     PD="Tj-Tc/RT"
　　
式中，Tj 是額定結(jié)溫（Tj=150℃），Tc是殼溫，RT是結(jié)到管殼間的穩(wěn)態(tài)熱阻，Tj代表器件的耐熱能力，Tc和 RT代表器件的散熱條件，而PD就是器件的發(fā)熱情況。它必須在器件的耐熱能力和散熱條件之間取得平衡。
　　　 
散熱有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流。根據(jù)散熱的方式，可以選自然散熱：加裝散熱器；或選擇強(qiáng)制風(fēng)冷：加裝風(fēng)扇。加裝散熱器主要利用熱傳導(dǎo)和熱對流，即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上，熱量通過傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過能流換熱的方式由空氣

6　結(jié) 語
　　
本文簡要闡述了負(fù)荷率及溫度對開關(guān)電源可靠性的影響，大量實(shí)驗(yàn)證明了開關(guān)電源的負(fù)荷率設(shè)計(jì)是否合理對開關(guān)電源的可靠性有重要影響，最后分析了開關(guān)電源發(fā)熱和散熱兩方面的情況，優(yōu)先采用降低發(fā)熱的各種技術(shù)，同時提高散熱效果，許多廠家都采用這種設(shè)計(jì)思想，取得了很好的效果。電源設(shè)備可靠性的高低，不僅與電氣設(shè)計(jì)，而且同器件、結(jié)構(gòu)、裝配、工藝等方面有關(guān)。本文主要從元器件的負(fù)荷率及溫度對開關(guān)電源可靠性的影響進(jìn)行了闡述，為從事開關(guān)電源設(shè)計(jì)的技術(shù)人員提供一些借鑒的設(shè)計(jì)方法。

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