开关电源可靠性工程设计探索

开关电源可靠性工程设计探索

刘春辉

青岛青整电子设备有限公司 山东省青岛市 266101

摘要：在我国快速发展过程中，经济在快速发展，社会在不断进步，近年来出现了各种各样的电子用品，而开关电源一直都是电子系统中不可或缺的组件。一个系统要维系它的应用，保证其稳定性，其中组件的稳定也是要摆在重要的位置的。为了保证系统的稳定运行，就需要对开关电源的可靠性进行研究设计。基于此，本文将会从六个环节的技术进行分析，经过探讨研究，提出在实际的应用中可以完善工程设计的方法，从而使得开关电源更加可靠，达到保证系统稳定运行的目的。

关键词：开关电源;电路电源;功率因数;可靠性

引言

随着科技的发展，电源设备逐渐呈现出多元化的发展趋势，其数量和种类也在逐年增加，目前的使用环境正能朝着多样化的方向发展。开关电源近年来的应用范围越来越广，包括航天装备、机载、车载等各个领域，但应用过程中电源往往需要持续不间断的运行，故也对开关的电源设计提出更多要求。

1开关电源的供电方式

开关电源的供电方式通常有以下两种：第一种是分布式的供电管理系统，第二种是集中式的供电管理系统。在当今社会的电子系统发展过程中，对于开关电源的可靠性有了更高的要求，这就使得分布式供电管理系统受到了很大的青睐。集中式供电管理系统在传输距离上容易出现一定的误差，并且使得输出后的电压差生误差，这就造成了电源产生故障时因为压差使得供电系统瘫痪，并且不能进行某一部分的运转。分布式供电管理系统能够将供电质量保持在一定的水平，同时因为供电单元的距离较近，使得电路系统的动态响应特性得到了充分的改善。而且分布式供电管理系统具有传输效率高、输出损耗小的特性，充分地体现其可靠性，能够充分满足开关电源的运转需要。

2安全设计

在开关电源设计过程中，安全设计的重要性毋庸置疑，若产品的安全性得不到保障则极易引发安全事故，造成巨大经济损失，严重时还可造成人员伤亡问题，开关电源的安全设计分析如下：要控制好带电金属与不带电金属之间的距离，若交流电压高于250V，则其零线与火线之间的距离应保持在2.5mm以上，另外，底线和输入线之间也要保持3mm的距离。所有外露的不带电金属均需进行接地处理。在此过程中，若只用一只1.5kΩ的电阻开展接地工作，则漏电电流一般不可高于5μA，整机漏电流通常要小于0.5mA。为避免人被烧伤，应控制好机壳、散热器等的温度。

3电源设备可靠性热设计技术

类似于机器这类产品，由于高耗能所以普遍都容易发热，发热虽然是一种正常的现象，但是也有一定的范围，如果说超出了一定的标准，就会对可靠性造成负面的影响，通常这种情况也是需要进行控制的，一旦超出了一定的数值就会对元器件有所影响，达到了无法承受的标准就会导致失效。为了控制元件的升温，就需要对此进行设计，而这种设计的方法就是所谓的热设计，这种设计主要有两个方面的原则需要遵守，一方面需要减少发热，另一方面要加强散热。

4降额设计

电子元器件的失效力与工作应力息息相关，但不包括其他应力失效较低的电子元器件。为有效降低失效率，可在电路设计的过程中，开展降额设计工作，但由于电子元器件的差异性，故其降额标准一般也会存在较大差别，需结合实际情况而定。另外，为保证开关电源即便在相对恶劣的环境条件下，依然可以安全、可靠的工作，应在设计过程中尽可能的设置保护电路，如过载保护电路、过压保护电路、短路保护电路等等。

5元器件的选用

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。元器件的失效集中在以下四点:(1)制造质量问题质量问题造成的失效与工作应力无关。质量不合格器件可以通过严格的检验加以剔除，在工程应用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)器件可靠性的问题器件可靠性问题即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下，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，包括电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、稳定性差、早期失效等，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使用失效率降低1～2个数量级，当然筛选试验代价(时间与费用)很大，但综合维修、后勤保障、整架联试等还是合算的，研制周期也不会延长。(3)设计问题首先是恰当地选用合适的器件:应尽量选用硅半导体器件、多采用集成电路控制、开关管选用MOSFET能简化驱动电路、输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管、吸收电容器要求具有高频低损耗和耐高温的特性等。其次关于降额设计:电子器件的基本失效率取决于工作应力(包括电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等)。除个别低应力失效的器件外，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，所以在电路设计时要进行降额设计。降额程度，除可靠性外还需考虑体积、质量、成本等因素。不同的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决定于电应力和温度，因而降额也主要是控制这两种应力，所以应选择合适的降额系数。(4)损耗问题损耗问题即元器件的失效取决于工作时间的长短，与工作应力无关。如铝电解电容长期在高频中工作会使电解液逐渐损失，同时容量亦同步下降。为防止电源发生故障，一般情况下军品电源的铝电解电容器使用10年后必须强迫更换。

6三防设计技术

三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。凡应用于我国长江以南、沿海地区以及军用电源均应进行三防设计。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，但水膜达到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膜对裸露的金属表面具有很强的腐蚀活性。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。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其零部件的表面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专用三防清漆可以有效避免导线之间的电晕、击穿，提高电源的可靠性。变压器应进行浸漆、端封，以防潮气进入引发短路事故。三防设计与电磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防设计优异就具有良好的电气绝缘性，而电气绝缘的外壳就没有好的屏蔽效果，这两方面需综合考虑。在整机设计中，应充分考虑屏蔽与接地要求，采取合理的工艺，保证有电接触的表面长期导通。

结语

伴随着市场上产品越来越百花齐放，对于产品，用户的要求也随之越来越高这是显而易见的，因此近年来对于开关电源的可靠性开始越发关注起来。本文在对于开关电源的可靠性研究中通过六个环节提出了工程设计的建议，但是由于各种因素的影响，本文中所提出的方法只能适用于一部分产品，基本上是工业品以及军用品的电源。由于目前商业用品的种类也是非常多种多样，笔者目前的知识和经验都还有所不足，因此在未来的研究过程中这都是还需要提升的地方。总而言之，开关电源的可靠性跟很多方面的因素都有关系，因此需要在各个环节都保证质量，因为可靠性往往是工程设计中非常重要的部分。未来的学习生涯中，笔者将会更加努力研究，将现有的研究设计继续完善。

参考文献

［1］顾德峰．电子技术在开关电源中的应用［J］．电子技术工程，2019，20:227～228.

［2］陈忠武．电力通信电源技术应用［J］．通信电源技术，2019，36(10):194～195.