王俊粉

（西安偉京電子制造有限公司，陜西 西安 710076）

0 引言

在當(dāng)今這個(gè)工業(yè)不斷發(fā)展的時(shí)代，幾乎所有的電子設(shè)備都需要恒壓電源或者恒流電源進(jìn)行電力的供應(yīng)，進(jìn)行電源設(shè)計(jì)已經(jīng)成為保證電子設(shè)備功能的重要手段[1]。開關(guān)電源由于其自身性能強(qiáng)大，并且尺寸較小、效率較高，受到了市場的青睞，進(jìn)行了不同模式和形態(tài)的開發(fā)。但是在進(jìn)行此類電源的設(shè)計(jì)當(dāng)中，也逐漸出現(xiàn)了一些需要關(guān)注的問題。

1 開關(guān)電源的主要分類

1.1 開關(guān)電源的概念

開關(guān)電源就是利用電子開關(guān)器件如晶體管、場效應(yīng)管、可控硅閘流管等，通過PWM控制電路，使電子開關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”，把輸入的直流電壓轉(zhuǎn)化為幅值等于輸入電壓幅值的高頻脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器PWM來調(diào)節(jié)，輸入電壓被轉(zhuǎn)化為交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低，通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)，最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。此類電源可以使用開關(guān)晶體管的電路來進(jìn)行能量的輸出，并且主要負(fù)責(zé)的就是進(jìn)行能量的傳輸工作。該電源內(nèi)置芯片，并且其芯片中的功率管在開關(guān)狀態(tài)下的等效電阻較小，因此在大電流通過之后不同擔(dān)心有較多的消耗問題[2]。

1.2 開關(guān)電源的主要分類

根據(jù)電源變壓器磁芯工作的方式不同，開關(guān)電源分為：反激式、正激式、推挽式、半橋式、全橋式。與推挽式變壓器工作方式一樣，其中反激式電源電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低，尤其適合制作小功率電源，下面介紹反激開關(guān)電源的工作原理。

1.3 反激開關(guān)電源原理

反激變換器的基本電路圖如圖1所示。

圖1 反激開關(guān)電源原理圖

工作原理如下：開關(guān)管Q的VGS為高電平時(shí)，Q導(dǎo)通，輸入電壓加在變壓器Np的兩端，整流二極管D反向截止，輸出電容C給負(fù)載供電，T相當(dāng)于一個(gè)純電感，流過Np的電流線性上升，達(dá)到峰值Ipmax。當(dāng)開關(guān)管Q的VGS為低電平時(shí)，Q關(guān)斷，變壓器繞組Ns反激電壓使輸出二極管D進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)初級存儲的能量傳送到次級，次級電流Is波形如1圖，提供負(fù)載電流，同時(shí)給輸出電容充電。

1.4 開關(guān)電源基本特點(diǎn)

（1）具有功率消耗較小、效率高的特點(diǎn)。此類電源工作電流在開關(guān)管和續(xù)流二極管之間進(jìn)行循環(huán)，開關(guān)管導(dǎo)通，其電壓較低，電源的功耗小，效率較高。

（2）此類電源具有體積小、重量輕的特點(diǎn)。根據(jù)上圖的電源構(gòu)造可知，此類電源并沒有使用傳統(tǒng)電源的工頻變壓器，而使用高頻變壓器。輸出同樣功率，高頻變壓器的體積與工頻變壓器相比成倍減小。另外電源效率相對較高，功率器件的發(fā)熱相對較少，因此不需要較大的散熱片或較大的殼體進(jìn)行散熱，功率器件的封裝尺寸也可選擇相對較小的。由于此類電源的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)當(dāng)中會向輕量化和尺寸小的方向發(fā)展[3]。

（3）電源穩(wěn)壓范圍寬。根據(jù)輸入電壓的大小，調(diào)節(jié)開關(guān)管的驅(qū)動脈沖寬度，通過改變控制信號的占空比來穩(wěn)定開關(guān)電源輸出電壓，因此該電源具有更高的穩(wěn)定性。

（4）電路的實(shí)現(xiàn)形式具有靈活多樣性。此類電源的變壓器工作方式分為連續(xù)模式和斷續(xù)模式，變壓器斷續(xù)模式適合輸出高電壓、小功率類電源；變壓器連續(xù)模式適合輸出低電壓、大電流類電源，可以根據(jù)輸出電壓和功率的要求進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)來滿足實(shí)際的需求。

2 開關(guān)電源的“六性”問題

電子設(shè)備的“六性”概念來自于GJB901《質(zhì)量管理體系要求》中的相關(guān)內(nèi)容，包括可靠性、安全性、維修性、測試性、保障性和環(huán)境適應(yīng)性。

2.1 可靠性

可靠性是指當(dāng)前的系統(tǒng)或者機(jī)械設(shè)備零部件等能夠在規(guī)定的環(huán)境條件以及規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)完成規(guī)定的工作的能力?？煽啃钥梢允褂每煽慷冗M(jìn)行表示，指的是在規(guī)定的時(shí)間和條件之內(nèi)能夠完成特定工作的概率，能夠衡量某一種產(chǎn)品可靠性水平的大小[4]。

可靠性是對于設(shè)備無故障持續(xù)工作能力的評價(jià)，是體現(xiàn)裝備能夠進(jìn)行持續(xù)工作以及實(shí)施極限任務(wù)的重要指標(biāo)。保障設(shè)備自身的可靠性，需要在進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)以及制作中使用較好的技術(shù)以及較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾砘顒?。進(jìn)行電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)，需要保障該設(shè)備的元器件具有可靠性。

在進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，可以采用元器件應(yīng)力分析法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，以GJB/Z299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊》作為電源的可靠性預(yù)計(jì)的依據(jù)。主要表現(xiàn)在其自身使用的元器件以及原材料的合理性，如元器件進(jìn)行合理的電應(yīng)力、熱應(yīng)力等其他應(yīng)力的降額使用。在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，使用簡潔的電源設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、高質(zhì)量等級的元器件，以及對原材料、功率器件進(jìn)行合理的布局、合理的熱設(shè)計(jì)、防震、防噪聲、防潮系統(tǒng)均能夠提升電源自身的可靠性。

電源總輸出功率Po，輸入功率PIN，消耗功率P1計(jì)算如下：η為電源的效率。

器件到殼體溫升ΔT=Rth×P1，Rth為器件到殼體的熱阻，溫升與熱阻、耗散功率成正比，故熱阻與耗散功率越大溫升越大。

為了有效地提高電源的可靠性，開關(guān)電源研制過程中主要解決的問題是減小功率器件的熱阻和損耗，提高效率。

功率器件在滿足功率輸出的前提下，盡量選熱阻小的封裝。功率器件最好緊貼殼體或散熱器，減小功率器件的熱阻，能夠有效地提高電源的可靠性。

開關(guān)電源的損耗主要由3部分組成：功率開關(guān)管的損耗，高頻變壓器的損耗，輸出整流管的損耗。為了提高開關(guān)電源的熱可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)將發(fā)熱器件均勻分布在開關(guān)電源的殼體內(nèi)，以保證開關(guān)電源的熱平衡，從而保證發(fā)熱功率器件安全可靠地工作。

半導(dǎo)體器件的結(jié)溫對器件自身的可靠性具有極大的影響，在設(shè)計(jì)中應(yīng)做好功率發(fā)熱器件的散熱設(shè)計(jì)。功率元器件通過優(yōu)化電路降低工作功耗、合理布局、大面積鋪銅、降低導(dǎo)熱路徑熱阻、增加散熱面積、灌封膠導(dǎo)熱等多種措施將熱量以能實(shí)現(xiàn)的最小溫差導(dǎo)至殼體，以盡可能地降低元器件自身的結(jié)溫，確保開關(guān)電源在高溫環(huán)境下可靠地工作[5]。

2.2 維修性

維修性是指設(shè)備能夠在規(guī)定的條件以及時(shí)間下按照規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修并能夠保持或者恢復(fù)當(dāng)前設(shè)備的規(guī)定狀態(tài)的能力，可以使用維修度進(jìn)行設(shè)備維修性的測量。

維修性是對于設(shè)備自身能夠使用維修回復(fù)自身功能的能力的評價(jià)。維修主要包括修復(fù)性維修、預(yù)防性維修以及日常保養(yǎng)等。其中，預(yù)防性維修主要是對設(shè)備中的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行檢查，判定設(shè)備是否具有維持其自身功能的能力，一般正常工作的設(shè)備應(yīng)該盡量減少預(yù)防性維修。此外，設(shè)備還具有固有維修性和使用維修性。固有維修性的主要影響因素為設(shè)備自身的設(shè)計(jì)和制作水平，使用維修性則是設(shè)備在進(jìn)行實(shí)際的使用當(dāng)中所表現(xiàn)出來的能夠進(jìn)行維修并回復(fù)功能的水平。

針對開關(guān)電源的維修性設(shè)計(jì)分為定性要求和定量指標(biāo)。定性要求是指當(dāng)前設(shè)計(jì)的電源產(chǎn)品需要維修便捷、迅速，定量指標(biāo)則是當(dāng)前電源出現(xiàn)故障之后的平均修復(fù)時(shí)間。在進(jìn)行維修設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮到出現(xiàn)故障之后進(jìn)行迅速修復(fù)的實(shí)際效果，以便在出現(xiàn)故障之后能夠迅速快捷地發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題的原因并進(jìn)行及時(shí)的修復(fù)。

進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)，其維修性表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

①簡化維修設(shè)計(jì)。開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)考慮產(chǎn)品的工藝性和維修性，包括元器件的安裝位置及安裝方式，同時(shí)更加要注重產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)，通過提高產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性和使用壽命，降低產(chǎn)品的故障率，避免維修情況的發(fā)生。

②進(jìn)行可更換性設(shè)計(jì)。電源在使用中出現(xiàn)故障，為了不影響電子設(shè)備正常使用，需要進(jìn)行及時(shí)更換。因此需要進(jìn)行可簡單更換的設(shè)計(jì)，提升電源在出現(xiàn)故障之后的可更換性。

③開關(guān)電源設(shè)計(jì)精簡便捷化。在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)中，注重減少電源自身體積以及重量，方便電源進(jìn)行拆卸和搬運(yùn)，提升進(jìn)行后勤保障的簡便性。

2.3 測試性

測試性是指能夠?qū)Ξa(chǎn)品或者設(shè)備及時(shí)準(zhǔn)確地確定其自身的狀態(tài)，并對其內(nèi)部的故障進(jìn)行隔離后處理。測試性反映的是設(shè)備自身能夠被檢查到出現(xiàn)的故障以及出現(xiàn)故障原因的水平，影響到設(shè)備自身測試性能的主要因素包括對設(shè)備進(jìn)行檢測和診斷人員自身的故障檢測水平、輔助檢測維修工具、技術(shù)資料以及人員培訓(xùn)等。

在進(jìn)行開關(guān)電源的設(shè)計(jì)當(dāng)中，經(jīng)常會出現(xiàn)設(shè)備不能夠進(jìn)行正常的工作或者設(shè)備在進(jìn)行工作當(dāng)中出現(xiàn)輸出電壓不穩(wěn)定的問題。在出現(xiàn)此類問題之后，設(shè)備的可測試性就顯得比較重要。主要使用以下幾點(diǎn)方法提升設(shè)備的測試性：①進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)考慮到產(chǎn)品的測試性；

②設(shè)計(jì)設(shè)備結(jié)構(gòu)，保障設(shè)備在不開蓋的情況下能夠進(jìn)行簡單測試；

③使用標(biāo)準(zhǔn)化測試工具。

2.4 安全性

設(shè)備安全性是指設(shè)備不會導(dǎo)致人員傷亡、危害人員健康以及環(huán)境、對于人員的財(cái)產(chǎn)造成破壞或者損壞等，可以總結(jié)為設(shè)備不發(fā)生事故的能力。

安全性是設(shè)備重要的特性之一，是設(shè)備自身對于人員以及環(huán)境所存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)的描述，也是在進(jìn)行設(shè)備選擇中需要首先進(jìn)行考慮的主要因素。在進(jìn)行設(shè)備安全性的表示當(dāng)中，通常使用不同的等級進(jìn)行表示，比如使用風(fēng)險(xiǎn)分析法進(jìn)行設(shè)備危險(xiǎn)程度的描述為可能發(fā)生危險(xiǎn)的頻率：A級（頻繁）、B級（很可能）、C級（有時(shí)）、D級（極少）、E級（不可能）。

開關(guān)電源在進(jìn)行設(shè)計(jì)使用的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)的安全性問題為電源設(shè)備自身對于電流的絕緣性能以及在進(jìn)行使用的過程中出現(xiàn)高溫燃燒的可能性。進(jìn)行開關(guān)電源安全性設(shè)計(jì)中，應(yīng)該遵循最小風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)，使用安全裝置、警報(bào)裝置，并對于開關(guān)電源的安全使用方法進(jìn)行規(guī)范化培訓(xùn)。在保障電源設(shè)備自身的安全性時(shí)，可以通過以下設(shè)計(jì)提升電源安全性：

①設(shè)計(jì)減少對于危險(xiǎn)材料的使用，在進(jìn)行產(chǎn)品使用中規(guī)定工作條件和使用環(huán)境，避免使用不當(dāng)；

②進(jìn)行不同材料器件的隔離，對使用的原件進(jìn)行編號，確保連接正常；

③安排專業(yè)的人員進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)督保養(yǎng)；

④在設(shè)備中添加預(yù)警設(shè)施；

⑤最小化不能夠排除的風(fēng)險(xiǎn)因素；

⑥通過保障設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)安全等方式減少電源設(shè)備進(jìn)行使用中出現(xiàn)的安全問題，提升設(shè)備的安全性。

⑦在進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，應(yīng)該將不能夠避免的風(fēng)險(xiǎn)降低到最小的程度，使用故障安全保護(hù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)設(shè)備的損傷比例。

2.5 保障性

保障性是指設(shè)備自身的設(shè)計(jì)特性能夠滿足在緊急情況下使用的水平。設(shè)備的保障性主要是指設(shè)備自身的質(zhì)量以及配套資源，主要包括設(shè)備自身的設(shè)計(jì)水平以及保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩方面因素。在進(jìn)行開關(guān)電源保障性設(shè)計(jì)中，尤其是在研發(fā)初期就進(jìn)行保障性分析工作，確定預(yù)防性和修復(fù)性維修保障資源，積極開展產(chǎn)品綜合保障規(guī)劃并進(jìn)行試驗(yàn)與評價(jià)。

開關(guān)電源設(shè)備自身的保障性就是該設(shè)備能夠在工作任務(wù)突然增加的情況之下穩(wěn)定提供輸出電壓的能力。在進(jìn)行電源的設(shè)計(jì)當(dāng)中，使用以下幾種方式提升設(shè)備保障性：

①技術(shù)保障。在設(shè)備自身保障能力的設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要將設(shè)備設(shè)計(jì)得足夠簡單方便，使用通用的原材料進(jìn)行設(shè)備的制作，在進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)當(dāng)中考慮到設(shè)備的使用環(huán)境、將設(shè)備設(shè)計(jì)為較小的尺寸并按照國際的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行包裝，滿足運(yùn)輸以及存儲的需求。

②物資保障。需要準(zhǔn)備好專用的維修工具、培訓(xùn)專業(yè)的設(shè)備維修人員、使用配套的設(shè)備技術(shù)資料等，提升設(shè)備的綜合保障性能。

③生產(chǎn)保障。進(jìn)行開關(guān)電源生產(chǎn)中，使用GJB2438A《混合集成電路通用規(guī)范》和SJ20668《為電路模塊總規(guī)范》進(jìn)行電源生產(chǎn)器件的選擇與使用。

④交付保障。在進(jìn)行交付保障中，使用專用的包裝設(shè)備進(jìn)行包裝，在0～35攝氏度的環(huán)境溫度中進(jìn)行存儲，提升設(shè)備的交付保障水平。

2.6 環(huán)境適應(yīng)性

環(huán)境適應(yīng)性是指在設(shè)備自身的壽命期間內(nèi)，在不同的環(huán)境作用下能夠保障自身功能以及性能不被破壞的能力。

設(shè)備自身的環(huán)境適應(yīng)性主要是指對工作環(huán)境的適應(yīng)，包括機(jī)械環(huán)境、電磁場環(huán)境、生物環(huán)境等，在進(jìn)行設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量考慮到設(shè)備進(jìn)行工作的工作環(huán)境，提升設(shè)備自身的適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源成本低、可靠性高、壽命較長。

在進(jìn)行開關(guān)電源的設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)該考慮到電源使用的環(huán)境，根據(jù)設(shè)備當(dāng)前使用的環(huán)境使用不同的設(shè)計(jì)策略提升設(shè)備自身的環(huán)境適應(yīng)性。主要有以下幾種策略：

①機(jī)械設(shè)計(jì)。提升對于機(jī)械環(huán)境的適應(yīng)可以為設(shè)備增加懸掛式結(jié)構(gòu)、使用合理的材料、盡可能地安裝減震器等；

②特殊環(huán)境適應(yīng)設(shè)計(jì)。對于氣候環(huán)境的適應(yīng)則應(yīng)該根據(jù)不同的氣候環(huán)境選擇是哪個(gè)密封或者涂漆等提升設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性；在進(jìn)行特殊軍事使用中，還應(yīng)該使用軍事涂層的方式將電源與周圍環(huán)境進(jìn)行融合，做到較好的隱蔽效果；

③電磁環(huán)境適應(yīng)設(shè)計(jì)。對于電磁環(huán)境的適應(yīng)則可以使用屏蔽、接地等設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

伴隨開關(guān)電源的廣泛使用，在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)中注重設(shè)備自身的“六性”問題能夠進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備的實(shí)際使用功能，提升設(shè)備自身的質(zhì)量。