关于开关电源可靠性设计分析

关于开关电源可靠性设计分析

刘雄

深圳市高斯宝电气技术有限公司

摘要：开关电源是电气设备的重要组成部分，其可靠性决定着电机系统的基本安全，在保证开关电源经济成本的基础上，需要尽可能提升开关电源的可靠性。本文将简述开关电源的失效机理，探究开关电源可靠性优化准则，分析开关电源可靠性设计策略，以期为开关电源可靠性进行优化设计。

关键词：开关电源；可靠性；优化设计

引言：近年来，伴随着科学技术的发展，电源设备也逐渐呈现出多元化、多样性的趋势，各种各样的电源设备不断涌现，开关电源的应用范围也越来越大，这就要求开关电源必须具备一定的可靠性，保障各类设备的使用安全。

1开关电源失效机理概述

开关电源是一种高频化电能转换装置，其功能机理就是通过不同形式的架构转换为用户端所需的电压或电流。当开关电源发生故障而无法运作相应功能时，电源系统中的驱动装置便会因为失去供电而停止运行，从而导致整个设备或系统的瘫痪。这也证明了开关电源对于整个系统设备可靠性有着重要影响。以开关电源DCM模式为例，其在正常工作情况下处于DCM模式，而当受到漏感、寄生参数、元器件精度、电磁干扰等情况的影响时，就会出现电压值偏离预期的情况，从而造成反馈回路难以精确控制或无法被直接控制的情况。而造成开关电源失效的原因主要有元器件功能失效和参数退化两类情况，功能失效就是指元器件缺陷、焊接不良、电路击穿等情况所造成的短路或开路问题；参数退化可能是电源拓扑或供电方式不匹配导致元器件使用寿命降低，功能退化所造成的问题。分析开关电源失效机理来明确开关电源可靠性优化设计的主要方向^[1]。

2开关电源可靠性优化准则

开关电源在使用过程中必然会发生退化现象，也就是质量损失问题，而避免这种情况发生的有效方法是提升元器件质量，随着元器件质量提升，生产难度和成本也会随之增加，不过开关电源的故障率和维修费用也会降低。因此，开关电源可靠性优化需要符合经济性原则，在保证成本尽可能低的同时对电源进行优化。开关电源的可靠性也不只是从其使用寿命来得到，需要优化影响开关电源可靠性的变化的各类因素。例如控制策略，应当尽可能将各类影响开关电源可靠性概率降至最低，保持开关电源处在良好的运作环境中，可靠性优化应当符合可扩展性原则，并非完全固定的标准规范，需要结合实际电压、电路等情况进行优化设计。

3开关电源可靠性设计策略

3.1供电方式

传统供电系统多是采用集中供电方法，这就会造成各个开关电源之间的压差不够稳定，不仅会降低供电的质量，而且系统设备的供电控制效果也不尽如人意，一旦某个开关电源出现故障问题，就会造成整个供电系统的故障。而分布式供电方式为开关电源以及机电设备提供了更为优良的方式，分布式供电的动态特性使其可靠性比集中式更好，而且在资源节约、工作效率、传输损耗等方面都有一定优势，这为开关电源的优化扩展提供了良好的基础环境，分布式供电系统能够满足开关电源可靠性方面的设计要求。

3.2元器件选用

元器件的质量将直接决定开关电源的可靠性和安全性，在初期选用上需要给予重视，避免后期因元器件质量而引起的不良问题。首先是元器件本身质量，在选择时需要明确其参数符合设计标准。然后对采购的元器件进行质量检测工作，包括工作应力水平、失效概率、容差分布等内容，比如元器件工作应力处在一定标准下，其失效概率就会大幅提升，将不达标的元器件剔除以提高质量水平。之后是元器件的优化设计使用，元器件类别多样，需要结合供电系统和开关电源选择最为适宜的零件。如表1所示，就是某元器件优化前后相关数值得到对比。并且元器件应尽可能灵活，可替换性、可修复性强，即便出现故障问题，也能够迅速处理。

表1 某元器件优化前后均值与容差

再之后是元器件的损耗因素，损耗决定了元器件的使用寿命，也决定了开关电源的可靠性。元器件的使用寿命应当采用固定标准的连带式替换原则，即当某一元器件出现损耗问题时，对所有同类型元器件进行检修养护，若再次发生同类元器件损耗问题，则直接更换所有相同类型的元器件，这种方式能够有效保证开关电源的安全性，不能因为未发生故障而继续延期使用。最后是电路保护因素，开关电源元器件的选用上，在保障开关电源可靠性的同时，还需注重对电路的保护，避免因电源问题而损害电路^[2]。

3.3控制策略

在开关电源的运行程序设计上，控制策略尤为关键，控制系统的优良能够大幅降低开关电源的损耗，从而提升电源的可靠性。现阶段，开关电源多是中小功率为主，采用脉冲宽度调制模拟控制方法（PWM），能够为开关电源提供良好的保护效果，很少出现短路问题。不过，传统模拟控制方式随着长时间的运用，也会出现难以调节的情况，需要结合信息技术和数字方式来控制模拟电路，才能更为有效地实现管控效果。

3.4电路拓扑结构

电路拓扑结构有多种方式，当前主要以双管正激式、双正激式为主，其利用开关管的承压标准，再配合漏感储能可以达到800V的峰值，不过考虑到降额情况，1400V以上的开关管将无法有效使用。而且电路拓扑中的驱动脉冲也需进行考虑，为了确保电路工作的稳定性，应避免使用两路驱动，并且考虑到全桥拓扑无法满足需求，可以选择半桥电路。而半桥电路与双管正激式和双正激式的承压能力是相一致的，即便出现降额也不会出现严重影响，半桥电路方式也是一种可选用的电路拓扑结构。

3.5热设计

开关电源的耐热效果会影响其可靠性和安全性，在进行设计时需要注重开关电源的热量产生位置，例如输出二极管、高频变压器、功率晶体管等。电源内部的温度提升会降低元器件的效力，进而降低开关电源的可靠性，甚至在温度达到一定数值时还会引发火灾。因此，在元器件选用过程中就需要考虑耗能和耐热的效果。增强开关电源的散热效果，可以利用对流、辐射等技术转移热量，也可以运用风冷、液冷等常规方法进行散热。

3.6安全设计

开关电源本身的安全性也需要多加考虑，安全是最为重要的设计内容。需要注意带电金属和不带电金属之间的距离。若开关电源使用电压超过250V，则零线和火线之间的距离需要保持在2.5mm以上，底线和输入线间距也需在2.5mm以上。所有外露的不带电进入应当进行接地处理，如果选用接地电阻超过1.5kΩ，则漏电电流不应超过5μA，整个系统设备漏电流应低于0.5mA。另外，部分机电设备在运作会产生大幅度的振动，而开关电源元器件中的引线会因为这种振动而出现问题，需要为开关电源进行加固处理，保证其稳定性。

结论：系统设备的增多也为开关电源的可靠性提出了更高的要求，本文以工业、服务用途的开关电源为例，分析开关电源的失效机理，并探讨了开关电源可靠性优化设计的基本原则，进而从供电、元器件、安全、电路拓扑、控制策略等方面进行了设计分析，明确了开关电源可靠性的优化方式，进一步提升了开关电源在实际运用中质量效果。

参考文献：

[1]王璐. 开关电源失效分析及可靠性优化设计[D].哈尔滨工业大学,2020.

[2]杨碧石.基于开关电源可靠性工程设计的分析与探讨[J].仪表技术,2018(12):49-52.