開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計(jì)探索

范莉莎

（深圳市昌寶機(jī)電設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

電子產(chǎn)品的質(zhì)量主要體現(xiàn)在技術(shù)性與可靠性兩個(gè)方面。在電子系統(tǒng)中，電源發(fā)揮著重要作用，電源的可靠性也決定于整體系統(tǒng)的可靠性。一件電子產(chǎn)品應(yīng)用期限費(fèi)用的90%以上都由設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所決定，注重開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計(jì)非常重要。

1 開關(guān)電源可靠性的主要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

1.1 供電模式的選取

供電模式有集中式和分布式兩種供電方式[1]。由于傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)主要運(yùn)用集中式方式，加之給部件供電應(yīng)用方式以單臺(tái)電源為主，如此一來(lái)，無(wú)法達(dá)到有效控制的目的，一旦機(jī)器出現(xiàn)故障問(wèn)題，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓。而分布式供電方式與集中式相比有明顯差異，因?yàn)榉植际焦╇姺绞奖容^方便，穩(wěn)定性較高，其性能優(yōu)勢(shì)更加顯著，所以在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中一般運(yùn)用分布式供電方式，以便提高開關(guān)電源的可靠性、安全性。

1.2 電路拓?fù)涞倪x取

電路拓?fù)涑Ｒ?jiàn)的有8種方式可供選擇，例如單端正激方式、單端反激方式、雙管正激方式、雙單端正激方式、雙正激方式、推挽方式、半橋方式以及全橋方式等。

現(xiàn)階段，比較常見(jiàn)的還是以雙管正激方式、雙正激方式為主。通常情況下，開關(guān)管都有相應(yīng)的承壓標(biāo)準(zhǔn)，上述的承壓加上漏感儲(chǔ)能容易導(dǎo)致800 V尖峰，如果根據(jù)60%的降額標(biāo)準(zhǔn)加以應(yīng)用，其耐壓1 400 V開關(guān)管就不在考慮范圍之內(nèi)[2]。另外，驅(qū)動(dòng)脈沖作為考慮的重點(diǎn)，如果兩路驅(qū)動(dòng)并不相同，其電路運(yùn)作會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。為了確保其運(yùn)用效果，需合理運(yùn)用拓?fù)?。?dāng)前全橋拓?fù)潆y以滿足實(shí)際要求，但是半橋電路能發(fā)揮抗平衡的作用，為此應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，注重電路拓?fù)涞倪x取環(huán)節(jié)?，F(xiàn)階段，雙管正激方式與半橋電路的開關(guān)管承壓能力基本相同，都是電源最大輸入電壓，在降額達(dá)到60%的情況下，也會(huì)帶來(lái)不利影響，但不會(huì)出現(xiàn)單向偏磁飽和的情況，所以雙管正激方式、半橋方式在電路拓?fù)溥x取方面較為實(shí)用。

1.3 功率因數(shù)校正手段

諧波電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，加之電網(wǎng)的線路比較復(fù)雜繁瑣，此種電流容易對(duì)公共網(wǎng)絡(luò)造成威脅?；诖?，需運(yùn)用功率因數(shù)校正，盡可能運(yùn)用相應(yīng)的開關(guān)類型。

1.4 控制方案的選取

在程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，控制也十分關(guān)鍵，既要達(dá)到良好的控制效果，又不會(huì)對(duì)開關(guān)造成不利的耗損影響?，F(xiàn)階段，中小功率的電源可應(yīng)用電流型PWM控制方式，顯著的優(yōu)勢(shì)就是能夠有效保護(hù)開關(guān)管，不會(huì)由于過(guò)流而形成不利影響，反應(yīng)相對(duì)敏捷，很少出現(xiàn)短路問(wèn)題。在控制環(huán)節(jié)中，利用軟開關(guān)能達(dá)到無(wú)損耗的目的，從而增加開關(guān)的使用頻率[3]。

1.5 元器件的選取

由于元器件容易對(duì)電源的可靠性帶來(lái)影響，因此應(yīng)重視元器件的選取，否則會(huì)對(duì)最終的設(shè)計(jì)造成不利影響。通常情況下容易出現(xiàn)以下問(wèn)題。

（1）制造質(zhì)量問(wèn)題。開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計(jì)是否具有可行性，關(guān)鍵點(diǎn)在于各個(gè)部件的質(zhì)量，為此在對(duì)各個(gè)器件展開合理選取時(shí)，需要遵循相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。只有通過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)，才能確保開關(guān)電源的可靠性，滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）器件的可靠性問(wèn)題。在一定情況下，器件的可靠性并不全是質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致，除去質(zhì)量問(wèn)題，還有一種偶然性，即工作應(yīng)力水平[4]。此應(yīng)力水平在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下容易出現(xiàn)失效現(xiàn)象，通常會(huì)運(yùn)用有效的應(yīng)對(duì)對(duì)策。部分器件未能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，需要把這些不符合標(biāo)準(zhǔn)的零件準(zhǔn)確找出，以便提高開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

（3）設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的問(wèn)題。首先最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是器件的選取，因器件種類繁多，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取最適當(dāng)?shù)钠骷?，同時(shí)也要遵循靈活、可修復(fù)性原則。其次，有關(guān)降額需滿足相關(guān)要求，主要通過(guò)多維考量處理好基本失效率與工作應(yīng)力的內(nèi)在關(guān)系?；臼逝c工作應(yīng)力存在正比關(guān)系，一方升高，另一方也會(huì)提高。

（4）損耗問(wèn)題。損耗通常情況下與不同部件的應(yīng)用時(shí)長(zhǎng)有一定關(guān)聯(lián)性，簡(jiǎn)單來(lái)講，就是應(yīng)有期限，不能要求一個(gè)部件可以一直應(yīng)用下去[5]。所有部件都是有相應(yīng)期限的，基于可靠性的考量，特別是電容器的應(yīng)用時(shí)長(zhǎng)需要合理管控，不能長(zhǎng)期使用，以避免安全事故問(wèn)題的發(fā)生。

（5）電路保護(hù)。在開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要基于大局觀的層面對(duì)其他因素加以考量，注重電路保護(hù)環(huán)節(jié)。

2 電磁兼容性設(shè)計(jì)方法

諧波有一定的干擾性質(zhì)，對(duì)于開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計(jì)來(lái)講有一定的威脅，為此需要注重對(duì)電磁兼容性的考量。想要保證開關(guān)電源的可靠性，最為關(guān)鍵的就是干擾源頭的控制，將干擾誘因逐一找出來(lái)[6]。利用適當(dāng)?shù)臑V波儀器，進(jìn)一步掃清對(duì)信號(hào)的干擾障礙。另外，避免設(shè)備自身形成干擾信號(hào)，防止其竄入電網(wǎng)，對(duì)其他設(shè)備帶來(lái)不利影響。

3 熱設(shè)計(jì)技術(shù)方法

電源設(shè)備的元器件熱穩(wěn)定性會(huì)隨環(huán)境溫度升高變差，一旦溫度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，元器件失效率也會(huì)進(jìn)一步提升，當(dāng)溫度超出極限，會(huì)使元器件失效。根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性會(huì)降低10%；當(dāng)升高50 ℃時(shí)，其壽命只有升溫25 ℃的16.66%左右[7]。除去電應(yīng)力以外，溫度也是影響儀器可靠性的關(guān)鍵要素，這就需要在技術(shù)方面運(yùn)用限制機(jī)箱與元器件溫升方式。

關(guān)于熱設(shè)計(jì)的基本原則，主要包括以下幾點(diǎn)。（1）控制發(fā)熱量。運(yùn)用有效的控制方式，例如移相控制方法、同步整流方法等。除此之外，選取功耗較低的器件，擴(kuò)大加粗印制線的寬度，進(jìn)一步強(qiáng)化電源的運(yùn)作效率。（2）注重散熱。運(yùn)用傳導(dǎo)技術(shù)、輻射技術(shù)、對(duì)流技術(shù)等把熱量轉(zhuǎn)移，主要以散熱器設(shè)計(jì)以及冷風(fēng)設(shè)計(jì)、液冷設(shè)計(jì)、熱電制冷設(shè)計(jì)以及熱管設(shè)計(jì)為主。

相較于自然冷卻，強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱量明顯較大。但是要增設(shè)風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電源系統(tǒng)等設(shè)施，不僅會(huì)使設(shè)備成本升高，還會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性能，容易產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)等問(wèn)題。在一般情況下主要運(yùn)用自然冷卻的方式，不建議應(yīng)用風(fēng)冷、液冷等冷卻方式。在元器件設(shè)計(jì)方面，需要把發(fā)熱器件放置于下風(fēng)位置或者印制板上方，散熱器利用氧化發(fā)黑技術(shù)，增強(qiáng)輻射效率，不能使用黑漆直接進(jìn)行涂抹。在噴涂三防漆之后，容易對(duì)散熱性帶來(lái)影響，應(yīng)適當(dāng)增加使用計(jì)量。散熱器安裝管子的平面需保持平滑、平整，通常在接觸面上涂抹硅脂，可強(qiáng)化導(dǎo)熱率。變壓器與電感線圈也要盡可能選取比較粗的導(dǎo)線，能夠降低發(fā)熱量。

4 安全性設(shè)計(jì)方式

對(duì)于開關(guān)電源來(lái)講，安全性是一項(xiàng)基礎(chǔ)性能，安全性較低的產(chǎn)品不但無(wú)法滿足規(guī)定的功能要求，還容易增加安全事故的發(fā)生概率，嚴(yán)重情況下會(huì)對(duì)人員的安全造成極大威脅。安全性能在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)防止漏電、發(fā)熱程度等因素加以考量，對(duì)于不同儀器設(shè)備，也要靈活運(yùn)用。

針對(duì)商用設(shè)備市場(chǎng)，UL、CSA、VDE等作為代表性的安全標(biāo)準(zhǔn)，其允許泄漏電流一般在0.5～5.0 mA，而軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 1412要求的泄漏電流不超過(guò)5.0 mA。開關(guān)電源設(shè)備對(duì)地泄漏電流的大小與EMI濾波器Y電容的容量有關(guān)?；贓MI濾波器的層面進(jìn)行分析，Y電容容量越大其效果越好；而在安全性能的層面，Y電容容量越小越好。當(dāng)X電容器安全性能較弱時(shí)，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰容易出現(xiàn)被擊穿的現(xiàn)象，盡管此擊穿現(xiàn)象不會(huì)對(duì)工作者的人身安全造成極大影響，但是會(huì)讓濾波儀器喪失濾波的功能。

5 三防設(shè)計(jì)方法

三防設(shè)計(jì)主要針對(duì)防潮設(shè)計(jì)、防煙霧設(shè)計(jì)以及防霉菌設(shè)計(jì)，一般在我國(guó)長(zhǎng)江以南、沿海區(qū)域、軍用電源中普遍運(yùn)用。電子產(chǎn)品的表面長(zhǎng)期處在海洋大氣當(dāng)中，因在潮濕環(huán)境下會(huì)吸附一層比較薄的濕水層，俗稱為水膜，當(dāng)水膜達(dá)到20～30分子層厚的情況下，就會(huì)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕所需的電解質(zhì)膜，此種蘊(yùn)含鹽分的電解質(zhì)膜對(duì)于裸露金屬表面有著顯著的腐蝕活性[8]。除此之外，當(dāng)溫度發(fā)生突變，容易在空氣中形成露點(diǎn)，也會(huì)讓印制線之間的絕緣電阻減弱、元器件發(fā)霉，從而形成銅綠、引腳被腐蝕斷裂等現(xiàn)象。

濕熱的環(huán)境容易為霉菌提供便利的形成條件，霉菌主要以電子儀器中的有機(jī)物作為養(yǎng)料，可以吸附水分，且分泌的有機(jī)酸會(huì)對(duì)絕緣性能帶來(lái)破壞影響，導(dǎo)致短路問(wèn)題的發(fā)生，加快金屬腐蝕的速度。在工程建設(shè)中，可選取耐腐蝕性的材料，再運(yùn)用鍍、涂或者化學(xué)處理方式，簡(jiǎn)單來(lái)講就是對(duì)電子儀器、零部件的表面覆蓋一層金屬或者非金屬保護(hù)膜，使其和附近介質(zhì)相互隔離，發(fā)揮防護(hù)的作用[9]。在結(jié)構(gòu)方面，應(yīng)用密封或者半密封的方式，將外部不利環(huán)境有效隔絕。針對(duì)印制板與組件表面進(jìn)行專用三防清漆的涂覆，從而避免導(dǎo)線之間出現(xiàn)電暈、擊穿現(xiàn)象，增強(qiáng)開關(guān)電源的可靠性。變壓器也要通過(guò)浸漆、端封等處理方式，避免進(jìn)入潮氣，發(fā)生短路。

三防設(shè)計(jì)和電磁屏蔽具有矛盾性，如果三防設(shè)計(jì)良好，能夠發(fā)揮顯著的電氣絕緣作用，然而電氣絕緣外殼沒(méi)有屏蔽效果，對(duì)于上述情況應(yīng)該加以重視。在整機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)屏蔽和接地要求加以了解，從而運(yùn)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段確保有電接觸的表面長(zhǎng)期導(dǎo)通。

6 抗震性設(shè)計(jì)方法

開關(guān)電源形成故障問(wèn)題的原因很多，去除上述所描述的因素，還有抗震性設(shè)計(jì)。通常電容器中都有引線，此種引線十分脆弱，根本原因是牢固性較弱，需要對(duì)其進(jìn)行加固處理。一般情況下，可以利用硅膠固定恒電容的方式，給高度大于25 cm且直徑超過(guò)12 cm的鋁電解電容器進(jìn)行固定夾安裝，向印制板裝置肋條等。

7 結(jié) 論

綜上所述，用戶對(duì)產(chǎn)品的可靠性提出較高的要求，此種背景下，社會(huì)各界對(duì)開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計(jì)給予高度重視。在開關(guān)電源可靠性研究中對(duì)不同環(huán)節(jié)提出相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)方案，但是受相關(guān)因素的影響，文章中所提及的方法只適用于工業(yè)制品、軍用品開關(guān)電源。開關(guān)電源的可靠性工程設(shè)計(jì)和許多因素都有關(guān)聯(lián)性，要在不同設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)確保其質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源可靠性工程設(shè)計(jì)會(huì)得到持續(xù)優(yōu)化，以提高產(chǎn)品的安全性能，延長(zhǎng)產(chǎn)品的應(yīng)用期限。