某型開關(guān)電源可靠性設(shè)計(jì)

某型開關(guān)電源可靠性設(shè)計(jì)

1可靠性設(shè)計(jì)作為電子系統(tǒng)的核心部件，電動(dòng)汽車的連續(xù)操作必須在夜間進(jìn)行。他們還必須承受高溫、低溫、高濕和損壞等測試。操作中不允許進(jìn)行維護(hù)，只能進(jìn)行簡單維護(hù)。電源的可靠性直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,系統(tǒng)對開關(guān)電源的可靠性要求越來越高。國內(nèi)電子產(chǎn)品和國外領(lǐng)先企業(yè)電子產(chǎn)品的差距已經(jīng)不是功能性能的差距,而是質(zhì)量和可靠性上的差距。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)因素),未進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的電源必然存在著許多設(shè)計(jì)缺陷,正所謂“先天不足、后患無窮”。可靠性設(shè)計(jì)為開關(guān)電源可靠性奠定基礎(chǔ),是保證開關(guān)電源質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵。2可靠性定義和指標(biāo)2.1可靠度的描述國際上通用的可靠性定義為:在規(guī)定環(huán)境條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。此定義適用于一個(gè)系統(tǒng),也適用于一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)單元。由于故障出現(xiàn)的隨機(jī)性,用數(shù)學(xué)方式來描述可靠性時(shí),常用“概率”來表示即可靠度?？煽慷萊(t);它是產(chǎn)品在規(guī)定環(huán)境條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。即:式中:N為試驗(yàn)樣品總數(shù);R(t)為任意時(shí)刻t的可靠度;n(t)為到t時(shí)刻樣品失效的總數(shù)。由上式可看出0≤R(t)≤1,因此R(t)越接近于1,產(chǎn)品的可靠度越高。2.2mtbf法測定故障數(shù)m衡量產(chǎn)品可靠性水平有好幾種標(biāo)準(zhǔn),有定量的,也有定性的,有時(shí)要用幾種標(biāo)準(zhǔn)(指標(biāo))去度量一種產(chǎn)品的可靠性,但最基本最常用的有以下幾種標(biāo)準(zhǔn)。(1)失效率λ;它是產(chǎn)品在單位時(shí)間內(nèi)的故障數(shù),即:式中:Δt為時(shí)間間隔。n為經(jīng)過Δt后出現(xiàn)的失效產(chǎn)品數(shù);ns為經(jīng)過Δt后依然正常工作的產(chǎn)品數(shù);失效率λ越小,則表示可靠性越高。(2)平均無故障工作時(shí)間MTBF(MeanTimeBetweenFailure):是指相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間,也稱為平均故障間隔。平均無故障時(shí)間(MTBF)是開關(guān)電源的一個(gè)重要指標(biāo),用來衡量開關(guān)電源的可靠性。MTBF數(shù)值越大,則表示該產(chǎn)品的可靠性越高。在此必須明確,不論是失效率還是平均無故障工作時(shí)MTBF,均為衡量產(chǎn)品或元器件可靠性的“概率”性指標(biāo)。3供電的電氣可靠性設(shè)計(jì)3.1單元鄰近負(fù)載供電方式一般包括集中式供電系統(tǒng)和分布式供電系統(tǒng)。分布式供電系統(tǒng)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)展功率也相對比較容易,所以電力電子系統(tǒng)一般采用分布式供電系統(tǒng),以滿足高可靠性設(shè)備的要求。3.2開關(guān)管的負(fù)壓不易選開關(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、半橋式、全橋式等8種拓樸。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。在推挽式和全橋拓樸中可能出現(xiàn)單向偏磁飽和,使開關(guān)管損壞,而半橋電路具有自動(dòng)抗不平衡能力,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樸。3.3具有功率因素校正技術(shù)的控制閥開關(guān)電源的諧波電流污染電網(wǎng),會(huì)干擾其它共網(wǎng)設(shè)備,還可能會(huì)使采用三相四線制的中線電流過大,引發(fā)事故,解決途徑之一是采用具有功率因素校正技術(shù)的開關(guān)電源。3.4u3000變壓器型電源在中小功率的電源中,電流型PWM控制是大量采用的方法,它較電壓型控制有如下優(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故障;具有優(yōu)良的電網(wǎng)電壓調(diào)整率和快速的瞬態(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)電源的輸出紋波約25mV,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)應(yīng)用諧振原理,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,中小功率電源中仍以PWM技術(shù)為主。3.5在施工期間選擇合適的工具因?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。元器件選用要注意以下四點(diǎn)。(1)外檢驗(yàn)的元件質(zhì)量問題造成的失效與工作應(yīng)力無關(guān)。質(zhì)量不合格的元器件可通過嚴(yán)格的檢驗(yàn)加以剔除,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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)變壓器主要器件的篩選試驗(yàn)元器件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,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。開關(guān)電源主要元器件的篩選試驗(yàn)一般要求如下:a.電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100%測試,剔除不合格品。b.普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100%測試,剔除不合格品。c.接插件按技術(shù)條件抽樣檢測各種參數(shù)。d.半導(dǎo)體器件按以下程序進(jìn)行篩選:目檢→初測→高溫儲(chǔ)存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測試→低溫測試→常溫測試。篩選結(jié)束后應(yīng)計(jì)算剔除率:式中:N為受試驗(yàn)樣品數(shù);n為被剔除的樣品數(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。(3)出整流管的選擇a.盡量選用硅半導(dǎo)體器件,少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。b.多采用集成電路,減少分立器件的數(shù)目。c.開關(guān)管選用功率MOSFET能簡化驅(qū)動(dòng)電路,減少損耗。d.輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管。e.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。f.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)量等級的軍品。g.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。h.原則上不選用電位器,必須保留的應(yīng)進(jìn)行固封處理。i.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。(4)注意鋁電解電容的選擇在潮濕和鹽霧環(huán)境下,鋁電解電容會(huì)發(fā)生外殼腐蝕、容量漂移、漏電流增大等現(xiàn)象,所以在艦船和潮濕環(huán)境中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。3.6控制電路中降額的控制電子元器件的基本失效率取決于工作應(yīng)力(包括電、溫度、震動(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,其他均表現(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,在電路設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。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)光二極管的電壓降額系數(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。3.7電解液的損失損耗引起的元器件失效取決于工作時(shí)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(huì)使電解液逐漸損失,容量也同步下降。當(dāng)電解液損失40%時(shí),容量下降20%;電解液損失90%時(shí),容量下降40%,此時(shí)電容器芯子已基本干涸,不能再使用。3.8保護(hù)電路的配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。4溫升控制的溫升除了電應(yīng)力之外,溫度是影響開關(guān)電源可靠性的最重要的因素。開關(guān)電源內(nèi)部過高的溫升將導(dǎo)致溫度敏感元器件的失效。當(dāng)溫度超過一定值時(shí),失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。國外統(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(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6。需要在技術(shù)上采取措施限制機(jī)箱及元器件的溫升,使開關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內(nèi),這就是熱設(shè)計(jì)。完整的熱設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面:(1)如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量;(2)如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。下面從這兩方面進(jìn)行論述。4.1高頻開關(guān)管通過選用更優(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)來大大減少器件損耗同時(shí)減小發(fā)熱量。選用低功耗、高質(zhì)量的器件,減少發(fā)熱器件數(shù)目。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。功率開關(guān)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,可以提高開關(guān)電源的平均無故障時(shí)間(MTBF),增加可靠性。開關(guān)管的發(fā)熱量由開關(guān)過程損耗和通態(tài)損耗兩部分產(chǎn)生,選用開關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件可減小開關(guān)過程損耗,選用低通態(tài)電阻的開關(guān)管可減小通態(tài)損耗;減小功率二極管的發(fā)熱量,可以通過選擇高質(zhì)量的二極管來減小損耗。變壓器和電感線圈設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用較粗的導(dǎo)線來抑制溫升,減少發(fā)熱;另外,加大加寬印制線的寬度,提高電源的效率也可減少發(fā)熱量。4.2冷卻設(shè)備的使用注意事項(xiàng)散熱有三種基本方式:熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流。散熱方法有附加散熱器、風(fēng)冷(自然對流和強(qiáng)迫風(fēng)冷)、液冷(水、油)、熱電致冷、熱管等。強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱量比自然冷卻大10倍以上,但是要增加風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電源、連鎖裝置等。這不僅增加了設(shè)備的成本和復(fù)雜性,而且使系統(tǒng)的可靠性下降,另外還增加了噪聲和震動(dòng),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。加裝散熱器主要是利用熱傳導(dǎo)和熱對流,將所有發(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對流換熱的方式由空氣帶出機(jī)箱。用散熱片時(shí),將散熱片在空氣中垂直排列會(huì)產(chǎn)生最好的效果。如果散熱片不是暴露在空氣中,熱量轉(zhuǎn)移將受到一定的影響。在元器件布局時(shí),應(yīng)將發(fā)熱器件安放在下風(fēng)位置或印制板的上部。散熱器一般采用氧化發(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(huì)影響散熱效果,需要適當(dāng)加大散熱裕量。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。5電源設(shè)備對地泄漏電流的影響對于電源而言,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(yán)重事故,甚至造成機(jī)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(jìn)行安全性設(shè)計(jì)。電源產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括防止觸電和燒傷。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0.5-5mA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1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)來確定。若電容Cx的安全性能欠佳,電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時(shí)可能被擊穿,它的擊穿雖不危及人身安全,但會(huì)使濾波器喪失濾波功能。為了防止誤觸電,插頭座原則上以產(chǎn)品端(非電源端)為針,電網(wǎng)端(電源端)為孔;電源設(shè)備以輸入端為針,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(jī)殼等),當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí),其最高溫度不應(yīng)超過60℃,面板和手動(dòng)調(diào)節(jié)部分的最高溫度不超過50℃。6采用三防措施來進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)電子設(shè)備的表面在潮濕的海洋大氣中會(huì)吸附一層很薄的濕水層,即水膜,當(dāng)水膜達(dá)到20-30分子層厚時(shí),就形成化學(xué)腐蝕所必須的電解質(zhì)膜,這種富含鹽分的電解質(zhì)對裸露的金屬表面具有很強(qiáng)的腐蝕性。另外溫度突變,在空氣中產(chǎn)生露點(diǎn),會(huì)使印制線間絕緣電阻下降、元器件發(fā)霉,產(chǎn)生銅綠、引腳被腐蝕斷裂等情況。濕熱環(huán)境為霉菌的滋生提供了有利條件。霉菌以電子設(shè)備中的有機(jī)物為養(yǎng)料,吸附水分并分泌有機(jī)酸,破壞絕緣,引發(fā)短路,加速金屬腐蝕。凡應(yīng)用于我國長江以南、以及沿海地區(qū)軍用電源均應(yīng)進(jìn)行三防設(shè)計(jì)。三防設(shè)計(jì)是指防潮設(shè)計(jì)、防鹽霧設(shè)計(jì)和防霉菌設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí),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、絲等的易霉制品;對密封機(jī)箱、機(jī)柜應(yīng)設(shè)置防護(hù)網(wǎng),以防昆蟲和嚙齒動(dòng)物進(jìn)入;直接暴露在大氣中的裝置外頂部不應(yīng)采用凹陷結(jié)構(gòu),避免積水導(dǎo)致腐蝕;在工程上,可以選用耐蝕材料,再通過鍍、涂或化學(xué)處理即通過對電子設(shè)備及零部件的表現(xiàn)覆蓋一層金屬或非金屬保護(hù)膜,使之與周圍介質(zhì)隔離,從而達(dá)到防護(hù)的目的。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