電源設計可靠性與規(guī)則

哈哈哈！好尷尬啞，出來發(fā)帖玩玩，不只知道內(nèi)容能不能幫助到大家，自己寫的一點東西，個人感覺還算不錯吶！

屁話不多說，先說正事兒吧！

向下看

↓

向下看

↓

正文開始吶

引言摘要

以下對影響開關(guān)電源可靠性的幾個方面作出較為詳細的分析比較，從工程實際出發(fā)提出提高開關(guān)電源可靠性的方案。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；可靠性；電磁兼容

電子產(chǎn)品的質(zhì)量是技術(shù)性和可靠性兩方面的綜合。電源作為一個電子系統(tǒng)中重要的部件，其可靠性決定了整個系統(tǒng)的可靠性，開關(guān)電源由于體積小,效率高而在各個領域得到廣泛應用,如何提高它的可靠性是電力電子技術(shù)的一個重要方面.

一：開關(guān)電源電氣可靠性工程設計技術(shù)

1.1 供電方式的選擇

供電方式一般分為：集中式供電系統(tǒng)和分布式供電。現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)一般采用采用分布式供電系統(tǒng)，以滿足高可靠性設備的要求。

1.1.1：集中式供電系統(tǒng)

1.1.2：分布式供電

1.2 ：電路拓撲的選擇

開關(guān)電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓撲。其中雙管正激式、雙正激式和半橋電路的開關(guān)管承壓僅為輸入電源電壓，60%的降額時選用600V的開關(guān)管比較容易，而且不會出現(xiàn)單向偏磁飽和的問題，這三種拓撲在高壓輸入電路中得到廣泛的應用。

1.3：功率因數(shù)校正技術(shù)

開關(guān)電源的諧波電流污染電網(wǎng)，干擾了其它共網(wǎng)設備，還可能會使采用三相四線制的中線電流過大，引發(fā)事故，解決途徑之一是采用具有功率因素校正技術(shù)的開關(guān)電源。

1.4：控制策略的選擇

1.4.1：在中小功率的電源中，電流型PWM【脈沖寬度調(diào)制/Pulse Width Modulation】控制是大量采用的方法，在DC-DC變換器中,輸出紋波可以控制在10mV，優(yōu)于電壓型控制的常規(guī)電源。

1.4.2：硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率一般在350 kHz以下；軟開關(guān)技術(shù)是使開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下開關(guān)，實現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可將開關(guān)頻率提高到兆赫級水平，此技術(shù)主要應用于大功率系統(tǒng)，小功率系統(tǒng)中較少見。

1.5：元器件的選用

因為元器件直接決定了電源的可靠性，所以元器件的選用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四點：制造質(zhì)量問題、器件可靠性的問題、設計問題、損耗問題。在使用中應對此予以足夠重視。

1.5.1：對元件的選型

1.5.1. 1：額定電壓

額定電壓解析：額定電壓就是電器所允許加的最大電壓值。也就是說是電器正常工作時的兩端的電壓值。與交直流與電壓無關(guān)

1.5.1.2：額定電流

額定電流是指，用電設備在額定電壓下，按照額定功率運行時的電流。

電氣設備額定電流是指在額定環(huán)境條件（環(huán)境、溫度、日照、海拔、安裝條件等）下，電氣設備的長期連續(xù)工作時允許電流。且工作時電流不應超過它的額定電流

1.5.1.3：脈寬

脈沖寬度就是高電平持續(xù)的時間，常用來作為采樣信號或者晶閘管等元件的觸發(fā)信號。脈寬由信號的周期和占空比雀確定，其計算公式是脈寬W=T×P（△T：周期，P：占空比）【占空比：一個脈沖循環(huán)內(nèi)通電時間所占的比例】

1.5.1.4：紋波

紋波是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機性成分的雜波信號，指在額定輸出電壓、電流的情況下，輸出電壓中的交流電壓的峰值。狹義上的紋波電壓，是指輸出直流電流中含有的工頻交流成分

1.6 保護電路

為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應在設計時加入多種保護電路，如防浪涌沖擊、過欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。【浪涌：顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬分之一秒時間內(nèi)的一種劇烈脈沖，。可能引起浪涌的原因有：重型設備、短路、電源切換或大型發(fā)動機。而含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品可以有效地吸收突發(fā)的巨大能量，以保護連接設備免于受損。】

---------------------------------------------------------------------------

二：電磁兼容性（EMC）設計技術(shù)

1：開關(guān)電源多采用脈沖寬度調(diào)制

開關(guān)電源多采用PWM【脈沖寬度調(diào)制/Pulse Width Modulation】技術(shù)，脈沖波形呈矩形，其上升沿與下降沿包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢復也會產(chǎn)生EMI【電磁干擾】，這是影響可靠性的不利因素，這使得系統(tǒng)具有EMC【電磁兼容性】成為重要問題。產(chǎn)生電磁干擾有三個必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感接收單元，EMC【電磁兼容性】設計就是破壞這三個條件中的一個。對于開關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源；干擾源集中在開關(guān)電路與輸出整流電路。采用的技術(shù)包括電容濾波以及共模濾波的技術(shù)、布局與布線技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等技術(shù)等等。

2 ：電源設備可靠性熱設計技術(shù)

統(tǒng)計資料表明電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性下降10 %；溫升50 ℃時的壽命只有溫升25 ℃時的1/6。除了電應力之外，溫度是影響設備可靠性最重要的因素。這就需要在技術(shù)上采取措施限制機箱及元器件的溫升，這就是熱設計。熱設計的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)，如移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等技術(shù)，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強散熱，即利用傳導、輻射、對流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括散熱器設計、風冷（自然對流和強迫風冷）設計、液冷（水、油）設計、熱電致冷設計、熱管設計等。

強迫風冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上，但是要增加風機、風機電源、聯(lián)鎖裝置等，在設計中要根據(jù)實際情況選取散熱方式。

3：安全性設計技術(shù)

對于電源而言，安全性歷來被確定為最重要的性能，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規(guī)定的功能，而且還有可能發(fā)生嚴重事故，甚至造成機毀人亡的巨大事件。為保證產(chǎn)品具有相當高的安全性，必須進行安全性設計。電源產(chǎn)品安全性設計的內(nèi)容包括防止觸電危險、過熱危險。

對于商用設備市場，具有代表性的安全標準有UL、CSA、VDE、CCC、IEC、EN、PSE等，內(nèi)容因用途而異，容許泄漏電流在0.5～5mA之間，我國用軍標準GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5 mA。電源設備對地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器的Y電容的容量。從EMI濾波器角度出發(fā)Y電容的容量越大越好，但從安全性角度出發(fā)Y電容的容量越小越好，Y電容的容量根據(jù)安全標準來決定。根據(jù)GJB151A，50 Hz設備小于0.1 μF，400Hz設備小于0.02 μF。若X電容器的安全性能欠佳，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時可能被擊穿，它的擊穿不危及人身安全，但會使濾波器喪失濾波功能。

3.1：UL /60950/60065,是英文保險商試驗所【Underwriter Laboratories Inc.】的簡寫

3.2：CSA是加拿大標準協(xié)會【Canadian Standards Association】的簡寫

3.3：VDE是電氣工程師協(xié)會【Prufstelle Testing and Certification Institute】的簡寫

3.4：CCC之中國強制性產(chǎn)品認證【China Compulsory Certification】的簡寫

3.5：GJB151A是中國軍用標準【Zhongguo junyong biaozhun】的簡寫

4：三防設計技術(shù)

三防設計是指防潮設計、防鹽霧設計和防霉菌設計。凡應用我國長江以南、沿海地區(qū)以及軍用電源均應進行三防設計。

電子設備的表面在潮濕的海洋大氣中會吸附一層很薄的濕水層，即水膜，但水膜達到20～30分子層厚時，就形成化學腐蝕所必須的電解質(zhì)膜，這種富含鹽分的電解質(zhì)對裸露的金屬表面具有很強的腐蝕活性。另外溫度突變，在空氣中產(chǎn)生露點，會使印制線間絕緣電阻下降、元器件發(fā)霉，產(chǎn)生銅綠、引腳被腐蝕斷裂等情況。

濕熱環(huán)境為霉菌的滋生提供了有利條件。霉菌以電子設備中的有機物為養(yǎng)料，吸附水分并分泌有機酸，破壞絕緣，引發(fā)短路，加速金屬腐蝕。

在工程上，可以選用耐蝕材料，再通過鍍、涂或化學處理即通過對電子設備及零部件的表現(xiàn)覆蓋一屋金屬或非金屬保護膜，使之與周圍介質(zhì)隔離，從而達到防護的目的。在結(jié)構(gòu)上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環(huán)境。對印制板及組件表現(xiàn)涂覆專用三防清漆可以有效避免導線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性。變壓器應進行浸漆，端封，以防潮氣進入引發(fā)短路事故。

三防設計與電磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防設計優(yōu)異就具有良好的電氣絕緣性，而電氣絕緣的外殼就沒有好的屏蔽效果，這兩方面需綜合考慮。在整機設計中，應充分考慮屏蔽與接地要求，采取合理的工藝，保證有電接觸的表面長期導通。

5：抗振性設計技術(shù)

振動也是造成電源故障的一個重要原因。在振動試驗中常發(fā)生鉭電容和鋁電解電容器引線被振斷情況，這些就要求加固設計。一般可以用硅膠固定鉭電容，給高度超過25cm和直徑超過12cm的鋁電解電容器加裝固定夾，給印制板加裝肋條。

6：結(jié)束語

以上建議只是適用于工業(yè)品和軍品電源，對于商業(yè)級產(chǎn)品可以在某些方面作出不同的選擇。總之電源設備可靠性的高低，不僅跟電氣設計，而且跟裝配、工藝、結(jié)構(gòu)設計、加工質(zhì)量等各方面有關(guān)。可靠性是以設計為基礎，在實際工程應用上，還應通過各種試驗取得反饋數(shù)據(jù)來完善設計，進一步提高電源的可靠性。

7：要點

7.1：元件的選型

額定電流，額定電流，脈寬，紋波；

解決方案：選擇合理的元器件。

7.2：電氣要求的控制

欠壓、過壓、過流、過載、短路、過熱、浪涌

解決方案：優(yōu)化電路。

7.3：溫度的預防：

額定溫度每升高2 ℃，可靠性下降10 %；溫升50 ℃時的壽命只有溫升25 ℃時的1/6

解決方案：加粗線寬，加大發(fā)熱去的散熱面積，以及風冷，液冷配置。

7.4：EMI的控制

減小回路，電路模塊化。