某型开关电源可靠性设计

某型开关电源可靠性设计

1可靠性设计作为电子系统的核心部件，电动汽车的连续操作必须在夜间进行。他们还必须承受高温、低温、高湿和损坏等测试。操作中不允许进行维护，只能进行简单维护。电源的可靠性直接决定了整个系统的可靠性,系统对开关电源的可靠性要求越来越高。国内电子产品和国外领先企业电子产品的差距已经不是功能性能的差距,而是质量和可靠性上的差距。在民用电子产品领域,日本的统计资料表明,可靠性问题80%源于设计方面(日本把元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率等部分也归入设计因素),未进行可靠性设计的电源必然存在着许多设计缺陷,正所谓“先天不足、后患无穷”。可靠性设计为开关电源可靠性奠定基础,是保证开关电源质量和可靠性的关键。2可靠性定义和指标2.1可靠度的描述国际上通用的可靠性定义为:在规定环境条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。此定义适用于一个系统,也适用于一台设备或一个单元。由于故障出现的随机性,用数学方式来描述可靠性时,常用“概率”来表示即可靠度。可靠度R(t);它是产品在规定环境条件下和规定时间内完成规定功能的概率。即:式中:N为试验样品总数;R(t)为任意时刻t的可靠度;n(t)为到t时刻样品失效的总数。由上式可看出0≤R(t)≤1,因此R(t)越接近于1,产品的可靠度越高。2.2mtbf法测定故障数m衡量产品可靠性水平有好几种标准,有定量的,也有定性的,有时要用几种标准(指标)去度量一种产品的可靠性,但最基本最常用的有以下几种标准。(1)失效率λ;它是产品在单位时间内的故障数,即:式中:Δt为时间间隔。n为经过Δt后出现的失效产品数;ns为经过Δt后依然正常工作的产品数;失效率λ越小,则表示可靠性越高。(2)平均无故障工作时间MTBF(MeanTimeBetweenFailure):是指相邻两次故障之间的平均工作时间,也称为平均故障间隔。平均无故障时间(MTBF)是开关电源的一个重要指标,用来衡量开关电源的可靠性。MTBF数值越大,则表示该产品的可靠性越高。在此必须明确,不论是失效率还是平均无故障工作时MTBF,均为衡量产品或元器件可靠性的“概率”性指标。3供电的电气可靠性设计3.1单元邻近负载供电方式一般包括集中式供电系统和分布式供电系统。分布式供电系统供电单元靠近负载,改善了动态响应特性,供电质量好,传输损耗小,效率高,节约能源,可靠性高,容易组成N+1冗余供电系统,扩展功率也相对比较容易,所以电力电子系统一般采用分布式供电系统,以满足高可靠性设备的要求。3.2开关管的负压不易选开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥式、全桥式等8种拓朴。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上,如果按60%降额使用,则使开关管不易选型。在推挽式和全桥拓朴中可能出现单向偏磁饱和,使开关管损坏,而半桥电路具有自动抗不平衡能力,不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压,即使按60%降额使用,选用开关管也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓朴。3.3具有功率因素校正技术的控制阀开关电源的谐波电流污染电网,会干扰其它共网设备,还可能会使采用三相四线制的中线电流过大,引发事故,解决途径之一是采用具有功率因素校正技术的开关电源。3.4u3000变压器型电源在中小功率的电源中,电流型PWM控制是大量采用的方法,它较电压型控制有如下优点:逐周期电流限制,比电压型控制更快,不会因过流而使开关管损坏,大大减小过载与短路故障;具有优良的电网电压调整率和快速的瞬态响应;环路稳定,易补偿;纹波比电压控制型小得多。生产实践表明,电流控制型的50W开关电源的输出纹波约25mV,远优于电压控制型。硬开关技术因开关损耗的限制,开关频率一般在350kHz以下,软开关技术应用谐振原理,实现开关损耗为零,从而可将开关频率提高到兆赫级水平。这种应用软开关技术的变换器综合了PWM变换器和谐振变换器两者的优点,接近理想特性,如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围,但是此项技术主要应用于大功率电源中,中小功率电源中仍以PWM技术为主。3.5在施工期间选择合适的工具因为元器件直接决定了电源的可靠性,所以元器件的选用非常重要。元器件选用要注意以下四点。(1)外检验的元件质量问题造成的失效与工作应力无关。质量不合格的元器件可通过严格的检验加以剔除,在产品设计时应选用定点生产厂家的成熟产品,不允许使用没有经过认证的产品。(2)变压器主要器件的筛选试验元器件失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下,元器件的失效率会大大下降。为剔除不符合使用要求的元器件,应进行筛选试验。这是一种非破坏性试验,通过筛选可使元器件失效率降低1-2个数量级。开关电源主要元器件的筛选试验一般要求如下:a.电阻在室温下按技术条件进行100%测试,剔除不合格品。b.普通电容器在室温下按技术条件进行100%测试,剔除不合格品。c.接插件按技术条件抽样检测各种参数。d.半导体器件按以下程序进行筛选:目检→初测→高温储存→高低温冲击→电功率老化→高温测试→低温测试→常温测试。筛选结束后应计算剔除率:式中:N为受试验样品数;n为被剔除的样品数。如果Q超过标准规定的上限值,则本批元器件全部不准上机,并按有关规定处理。(3)出整流管的选择a.尽量选用硅半导体器件,少用或不用锗半导体器件。b.多采用集成电路,减少分立器件的数目。c.开关管选用功率MOSFET能简化驱动电路,减少损耗。d.输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。e.应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件,禁止选用塑料封装的器件。f.集成电路必须是一类品或者是符合MIL-M-38510、MIL-S-19500标准B-1以上质量等级的军品。g.设计时尽量少用继电器,确有必要时应选用接触良好的密封继电器。h.原则上不选用电位器,必须保留的应进行固封处理。i.吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近,因流过高频电流,故易升温,所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。(4)注意铝电解电容的选择在潮湿和盐雾环境下,铝电解电容会发生外壳腐蚀、容量漂移、漏电流增大等现象,所以在舰船和潮湿环境中最好不要用铝电解电容。由于受空间粒子轰击时电解质会分解,所以铝电解电容也不适用于航天电子设备的电源中。3.6控制电路中降额的控制电子元器件的基本失效率取决于工作应力(包括电、温度、震动、冲击、频率、速度、碰撞等)。除个别低应力失效的元器件外,其他均表现为工作应力越高,失效率越高的特性。为了使元器件的失效率降低,在电路设计时要进行降额设计。不同的元器件降额标准亦不同。实践表明,大部分电子元器件的基本失效率取决于电应力和温度,因而降额也主要是控制这两种应力。以下为开关电源常用元器件的降额系数:(1)电阻的功率降额系数在0.1-0.5之间;(2)二极管的功率降额系数在0.4以下,反向耐压在0.5以下;(3)发光二极管的电压降额系数在0.6以下,功率降额系数在0.6以下;(4)功率开关管电压降额系数在0.6以下,电流降额系数在0.5以下;(5)普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数在0.3-0.7之间;(6)钽电容的电压降额系数在0.3以下;(7)电感和变压器的电流降额系数在0.6以下。3.7电解液的损失损耗引起的元器件失效取决于工作时间的长短,与工作应力无关。铝电解电容长期在高频下工作会使电解液逐渐损失,容量也同步下降。当电解液损失40%时,容量下降20%;电解液损失90%时,容量下降40%,此时电容器芯子已基本干涸,不能再使用。3.8保护电路的配置为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作,应设置多种保护电路,如防浪涌冲击、过压、欠压、过载、短路、过热等保护电路。4温升控制的温升除了电应力之外,温度是影响开关电源可靠性的最重要的因素。开关电源内部过高的温升将导致温度敏感元器件的失效。当温度超过一定值时,失效率呈指数规律增加。国外统计资料表明,电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%;温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6。需要在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升,使开关电源的温升控制在允许的范围之内,这就是热设计。完整的热设计包括两个方面:(1)如何控制发热源的发热量;(2)如何将热源产生的热量散出去。下面从这两方面进行论述。4.1高频开关管通过选用更优的控制方式和技术(如移相控制技术、同步整流技术等)来大大减少器件损耗同时减小发热量。选用低功耗、高质量的器件,减少发热器件数目。开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管、功率二极管、高频变压器、滤波电感等。功率开关管是高频开关电源中发热量较大的器件之一,减小它的发热量,可以提高开关电源的平均无故障时间(MTBF),增加可靠性。开关管的发热量由开关过程损耗和通态损耗两部分产生,选用开关速度更快、恢复时间更短的器件可减小开关过程损耗,选用低通态电阻的开关管可减小通态损耗;减小功率二极管的发热量,可以通过选择高质量的二极管来减小损耗。变压器和电感线圈设计时应选用较粗的导线来抑制温升,减少发热;另外,加大加宽印制线的宽度,提高电源的效率也可减少发热量。4.2冷却设备的使用注意事项散热有三种基本方式:热传导、热辐射、热对流。散热方法有附加散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等。强迫风冷的散热量比自然冷却大10倍以上,但是要增加风机、风机电源、连锁装置等。这不仅增加了设备的成本和复杂性,而且使系统的可靠性下降,另外还增加了噪声和震动,因而在一般情况下应尽量采用自然冷却,而不采用风冷、液冷之类的冷却方式。加装散热器主要是利用热传导和热对流,将所有发热元器件均先固定在散热器上,热量通过传导方式传递给散热器,散热器上的热量再通过对流换热的方式由空气带出机箱。用散热片时,将散热片在空气中垂直排列会产生最好的效果。如果散热片不是暴露在空气中,热量转移将受到一定的影响。在元器件布局时,应将发热器件安放在下风位置或印制板的上部。散热器一般采用氧化发黑工艺处理,以提高辐射率,不允许用黑漆涂覆。喷涂三防漆后会影响散热效果,需要适当加大散热裕量。散热器安装器件的平面要求光滑平整,一般在接触面涂上硅脂以提高导热率。5电源设备对地泄漏电流的影响对于电源而言,安全性历来被确定为最重要的性能之一,不安全的产品不但不能完成规定的功能,而且还有可能发生严重事故,甚至造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性,必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容包括防止触电和烧伤。对于商用设备市场,具有代表性的安全标准有UL、CSA、VDE等,内容因用途而异,容许泄漏电流在0.5-5mA之间,我国军用标准GJB1412规定的泄漏电流小于5mA。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器电容Cy的容量,如图1所示。从EMI滤波器角度出发,电容Cy的容量越大越好,但从安全性角度出发,电容Cy的容量越小越好,电容Cy的容量根据安全标准来确定。若电容Cx的安全性能欠佳,电网瞬态尖峰出现时可能被击穿,它的击穿虽不危及人身安全,但会使滤波器丧失滤波功能。为了防止误触电,插头座原则上以产品端(非电源端)为针,电网端(电源端)为孔;电源设备以输入端为针,输出端为孔。为了防止烧伤,对于可能与人体接触的暴露部件(散热器、机壳等),当环境温度为25℃时,其最高温度不应超过60℃,面板和手动调节部分的最高温度不超过50℃。6采用三防措施来进行防渗设计电子设备的表面在潮湿的海洋大气中会吸附一层很薄的湿水层,即水膜,当水膜达到20-30分子层厚时,就形成化学腐蚀所必须的电解质膜,这种富含盐分的电解质对裸露的金属表面具有很强的腐蚀性。另外温度突变,在空气中产生露点,会使印制线间绝缘电阻下降、元器件发霉,产生铜绿、引脚被腐蚀断裂等情况。湿热环境为霉菌的滋生提供了有利条件。霉菌以电子设备中的有机物为养料,吸附水分并分泌有机酸,破坏绝缘,引发短路,加速金属腐蚀。凡应用于我国长江以南、以及沿海地区军用电源均应进行三防设计。三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。在设计时,对于密封有要求的元器件应采取密封措施;对于不可修复的组合装置,可采用环氧树脂灌封。所用元器件,原材料的吸湿度应较小,不得使用含有棉、麻、丝等的易霉制品;对密封机箱、机柜应设置防护网,以防昆虫和啮齿动物进入;直接暴露在大气中的装置外顶部不应采用凹陷结构,避免积水导致腐蚀;在工程上,可以选用耐蚀材料,再通过镀、涂或化学处理即通过对电子设备及零部件的表现覆盖一层金属或非金属保护膜,使之与周围介质隔离,从而达到防护的目的。在结构上采用密封或半密封形式来隔绝外部不利环境。对印制板及组件表面涂覆