开关电源可靠性的设计

开关电源可靠性的设计

徐岭

生迪智慧科技有限公司上海200233

摘要：开关电源在很多方面都有着广泛的应用，例如航天，军事，家庭等等，并且应用越来越广泛。随着社会的不断发展，科学技术水平的不断提升，开关电源设计对于设备的可靠性要求也越来越高，保障设备的可靠性是做好开关电源工作的基础，也是保障设计工作正常开展的基础。开关元件借助电子技术对开关的打开或关闭进行调控，保障电压稳定输出。基于此本研究针对开关电源的可靠性设计展开了详细的探究，首先就可靠性的具体定义以及指标进行了分析，然后分析了开关电源可靠性的设计，从电气设计、热设计、安全设计、三防设计等几个方面展开了阐述。

关键词：开关电源；可靠性；设计

前言

社会在不断发展，随着社会的不断发展，科学技术水平也在不断发展，电源设备应用越来越广泛，并且具体的设备构造也变得越来越复杂，开关电源的元器件数量以及品种都在增加，导致使用环境也越来越复杂，由于电源运行需要联系，所以在运行中受到环境的影响比较大，如果无法及时进行检修，一旦出现问题就会影响开关电源的可靠性，因此在设计的时候需要将电源可靠性设计作为重点内容，分析各种可靠性的影响因素，提升开关电源可靠性设计水平，保障开关电源设备能够正常运行。

1可靠性的定义与指标

1.1可靠性的定义

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

1.2衡量可靠性的指标

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。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。

2开关电源的可靠性设计

2.1电气设计

2.1.1供电方式的选择

集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供电质量，而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。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，容易组成冗余供电系统，扩展功率也相对比较容易，所以分布式供电系统可以满足高可靠性设备的要求。

2.1.2电路拓扑的选择

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、推挽式、半桥式等多种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式开关管的承受电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。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏。双管正激式和半桥电路开关管的承受电压仅为电源的最大输入电压，选用开关管比较容易。在高可靠性工程上一般采用这两种电路拓扑。

2.1.3控制策略的选择

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，不会因过电流而使开关管损坏，大大减小了过载与短路故障；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。实践表明，电流控制型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右。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，从而可以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PWM变换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，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，但此项技术主要应用于大功率开关电源中，中小功率开关电源仍以PWM技术为主。

2.1.4元器件的选用

元器件直接决定了开关电源的可靠性，所以它的选用显得非常重要。

（1）尽量选用硅半导体器件。

（2）多采用集成电路，少用分立元件的电路。

（3）开关管选用MOSFET能简化驱动电路，减少损耗。

（4）输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。

（5）应选用金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件，禁止选用塑料封装的器件。

（6）原则上不选用电位器，必须保留的应进行固封处理。

2.2热设计

开关电源的耐热性能不仅直接关系到它的可靠性和使用寿命，而且还直接关系到发生火灾的危险程度，所以温度是影响开关电源可靠性的一个重要因素。开关电源的热源主要是高频变压器、开关功率晶体管、整流输出二极管以及滤波用的电解电容。实践表明，开关电源内部的温升将导致元器件失效，当温度超过一定值时，失效率将呈指数规律增加。开关电源热设计的原则有：

（1）减少发热量，选用更优的控制方式和技术（如移相控制技术），选用低功耗的器件，减少发热元件的数量，加大加粗印制线的宽度，提高开关电源效率。

（2）加强散热，利用传导、辐射、对流技术将热量转移，包括采用散热器、风冷（自然对流和强迫风冷）、液冷和热管等方法。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。这不仅使开关电源的成本和复杂性增加，而且还会使系统的可靠性下降，因而一般尽量采用自然冷却，而不是风冷、液冷之类的冷却方式。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，散热器采用氧化发黑工艺处理以提高辐射率。变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升。

2.3安全性设计

对于电源而言，安全性从来都是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，造成机毁人亡的巨大损失。为保证电源产品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源安全性设计的主要内容是防止触电和烧伤。

2.4三防设计

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。所有元器件、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，以防止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；可以选用耐蚀材料，再通过镀、涂或化学处理使电子设备及其零部件的表面覆盖一层金属或非金属保护膜，隔离周围介质；在结构上采用密封或半密封形式来隔绝外部不利环境；印制板及组件表面涂覆专用的三防清漆，可以有效的避免导线之间的电晕、击穿，提高电源的可靠性；电感和变压器应进行浸漆、封端，以防潮气进入引发短路事故。

3结语

综上所述，开关电源设备的可靠性与具体的设计过程息息相关，同时与结构设计，生产工艺以及具体的加工质量也有着直接的联系，保障开关电源设计工作的可靠性是保障开关电源可靠性运行的前提，所以需要格外重视设计质量，选择合格的元器件，促进开关电源设计过程的完善，提升开关电源的可靠性。

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