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1引言 開(kāi)關(guān)電源是各種系統的核心部分。開(kāi)關(guān)電源的需求越來(lái)越大，同時(shí)對可靠性提出了越來(lái)越高的要求。涉及系統可靠性的因素很多。目前，人們認識上的主要誤區是把可靠性完全（或基本上）歸結于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統設計和環(huán)境溫度對可靠性的決定性的作用。據美國海軍電子實(shí)驗室的統計，整機出現故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。 在民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域，日本的統計資料表明，可靠性問(wèn)題80％源于設計方面（日本把元器件的選型、質(zhì)量級別的確定、元器件的負荷率等部分也歸入設計上的原因）。以上兩方面的數據表明，設計及元器件（元器件的選型，質(zhì)量級別的確定，元器件的負荷率）的原因造成的故障，在開(kāi)關(guān)電源故障原因中占80％左右。減少這兩方面造成的開(kāi)關(guān)電源故障，具有重要的意義�？傊�，對系統的設計者而言，需要明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念，把系統的可靠性作為重要的技術(shù)指標，認真對待開(kāi)關(guān)電源可靠性的設計工作，并采取足夠的措施提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性，才能使系統和產(chǎn)品達到穩定、可靠的目標。本文就從這兩個(gè)方面來(lái)研究與闡述。 2 系統可靠性的定義及指標 國際上，通用的可靠性定義為：在規定條件下和規定的時(shí)間內，完成規定功能的能力。此定義適用于一個(gè)系統，也適用于一臺設備或一個(gè)單元。描述這種隨機事件的概率可用來(lái)作為表征開(kāi)關(guān)電源可靠性的特征量和特征函數。從而，引出可靠度[R（t）]的定義：系統在規定條件下和規定時(shí)間內，完成規定功能的概率。 如系統在開(kāi)始 （t=0）時(shí)有n0個(gè)元件在工作，而在時(shí)間為t時(shí)仍有n個(gè)元件在正常工作， 則可靠性 R(t)=n/n00≤R(t) ≤1 失效率 λ(t)= - dinR(t)/dt λ定義為該種產(chǎn)品在單位時(shí)間內的故障數，即λ=dn/dt。 如失效率λ為常數，則 dn/dt=-λt n=n0e-λt R(t)=e-λt0 MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）=1/λ 平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）是開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)重要指標，用來(lái)衡量開(kāi)關(guān)電源的可靠性。 3影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的因素 從各研究機構研究成果可以看出，環(huán)境溫度和負荷率對可靠性影響很大，這兩個(gè)方面對開(kāi)關(guān)電源的影響很大，下面將從這兩方面分析，如何設計出高可靠的開(kāi)關(guān)電源。其中：PD為使用功率；PR為額定功率主。UD為使用電壓；UR為額定電壓。 3.1 環(huán)境溫度對元器件的影響 3.1.1 環(huán)境溫度對半導體的影響 硅三極管以PD/PR=0.5使用負荷設計，則環(huán)溫度對可靠性的影響，如表2所示。 由表2可知，當環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了30倍。 3.1.2 環(huán)境溫度對電容器的影響 以UD/UR=0.65使用負荷設計 則環(huán)境溫度對可靠性的影響如表3所示。 從表3可知，當環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了14倍。 3.1.3 環(huán)境溫度對電阻器的影響 以PD/PR=0.5使用負荷設計，則環(huán)境溫度對可靠性的影響如表4所示。 從表4可知，當環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了4倍。 3.2 負荷率對元器件的影響 3.2.1 負荷率對半導體的影響 當環(huán)境溫度為50℃時(shí)，PD/PR對失效率的影響如表5所示。 由表5可知，當PD/PR=0.8時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了1000倍。 3.2.2 負荷率對電阻的影響 負荷率對電阻的影響如表6所示。 從表6可以看出，當PD/PR=0.8時(shí)，失效率比PD/PR=0.2時(shí)增加了8倍。 4可靠性設計的原則 我們可以從上面的分析中得出開(kāi)關(guān)電源的可靠性設計原則。 4.1可靠性設計指標應包含定量的可靠性要求。 4.2可靠性設計與器件的功能設計相結合，在滿(mǎn)足器件性能指標的基礎上，盡量提高器件的可靠性水平。 4.3應針對器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相應制約因素進(jìn)行綜合平衡設計。 4.4在可靠性設計中盡可能采用國、內外成熟的新技術(shù)、新結構、新工藝和新原理。 4.5對于關(guān)鍵性元器件，采用并聯(lián)方式，保證此單元有足夠的冗佘度。 4.6 原則上要盡一切可能減少元器件使用數目。 4.7在同等體積下盡量采用高額度的元器件。 4.8 選用高質(zhì)量等級的元器件。 4.9 原則上不選用電解電容。 4.10 對電源進(jìn)行合理的熱設計，控制環(huán)境溫度，不致溫度過(guò)高，導致元器件失效率增加。 4.11 盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件。 4.12 應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件，禁止選用塑料封裝的器件。 5可靠性設計 5.1 負荷率的設計 由于負荷率對可靠性有重大影響，故可靠性設計重要的一個(gè)方面是負荷率的設計，跟據元器件的特性及實(shí)踐經(jīng)驗，元器件的負荷率在下列數值時(shí)，電源系統的可靠性及成本是較優(yōu)的。 5.1.1半導體元器件 半導體元器件的電壓降額應在0.6以下，電流降額系數應在0.5以下。半導體元器件除負荷率外還有容差設計，設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，應適當放寬半導體元器件的參數允許變化范圍，包括制造容差、溫度漂移、時(shí)間漂移、輻射導致的漂移等。以保證半導體元器件的參數在一定范圍內變化時(shí)，開(kāi)關(guān)電源仍能正常工作。 5.1.2電容器 電容器的負荷率（工作電壓和額定電壓之比）最好在0.5左右，一般不要超過(guò)0.8，并且盡量使用無(wú)極性電容器。而且，在高頻應用的情況下，電壓降額幅度應進(jìn)一步加大，對電解電容器更應如此。應特別注意，電容器有低壓失效的問(wèn)題，對于普通鋁電解電容器和無(wú)極性電容的電壓降額不低于0.3，但鉭電容的電壓降額應在0.3以下。電壓降額不能太多，否則電容器的失效率將上升。 5.1.3電阻器、電位器 電阻器、電位器的負荷率要小于0.5,此為電阻器設計的上限值；但是大量試驗證明，當電阻器降額數低于0.1時(shí)，將得不到預期的效果，失效率有所增加，電阻降額系數以0.1為可靠性降額設計的下限值。 總之，對各種元器件的負荷率只要有可能，一般應保持在0.3左右。最好不要超過(guò)0.5。這樣的負荷率，對電源系統造成不可靠的機率是非常小的。 5.2 電源的熱設計 開(kāi)關(guān)電源內部過(guò)高的溫升將會(huì )導致溫度敏感的半導體器件、電解電容等元器件的失效。當溫度超過(guò)一定值時(shí)，失效率呈指數規律增加。有統計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%；溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6。除了電應力之外，溫度是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的最重要的因素。高頻開(kāi)關(guān)電源有大功率發(fā)熱器件，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一，完整的熱設計包括兩個(gè)方面：一 如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量；二 如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。使開(kāi)關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內，以保證開(kāi)關(guān)電源的可靠性。下面將從這兩個(gè)方面論述。 5.2.1 控制發(fā)熱量的設計 開(kāi)關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導體開(kāi)關(guān)管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開(kāi)關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減小它的發(fā)熱量，不僅可以提高功率管的可靠性，而且可以提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性，提高平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）。開(kāi)關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的，開(kāi)關(guān)管的損耗由開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成，減小通態(tài)損耗可以通過(guò)選用低通態(tài)電阻的開(kāi)關(guān)管來(lái)減小通態(tài)損耗；開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗是由于柵電荷大小及開(kāi)關(guān)時(shí)間引起的，減小開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗可以選擇開(kāi)關(guān)速度更快、恢復時(shí)間更短的器件來(lái)減少。但更為重要的是通過(guò)設計更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來(lái)減小損耗，如采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以大大減小這種損耗。減小功率二極管的發(fā)熱量，對交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會(huì )有更好的控制技術(shù)來(lái)減小損耗，可以通過(guò)選擇高質(zhì)量的二極管來(lái)減小損耗。對于變壓器二次側的整流可以選擇效率更高的同步整流技術(shù)來(lái)減小損耗。對于高頻磁性材料引起的損耗，要盡量避免趨膚效應，對于趨膚效應造成的影響，可采用多股細漆包線(xiàn)并繞的辦法來(lái)解決。 5.2.2 開(kāi)關(guān)電源的散熱設計 MOS管導通時(shí)有一定的壓降，也即器件有一定的損耗，它將引起芯片的溫升，但是器件的發(fā)熱情況與其耐熱能力和散熱條件有關(guān)。由此，器件功耗有一定的容限。其值按熱歐姆定律可表示為： PD="Tj-Tc/RT" 式中，Tj 是額定結溫（Tj=150℃），Tc是殼溫，RT是結到管殼間的穩態(tài)熱阻，Tj代表器件的耐熱能力，Tc和 RT代表器件的散熱條件，而PD就是器件的發(fā)熱情況。它必須在器件的耐熱能力和散熱條件之間取得平衡。 散熱有三種基本方式：熱傳導、熱輻射、熱對流。根據散熱的方式，可以選自然散熱：加裝散熱器；或選擇強制風(fēng)冷：加裝風(fēng)扇。加裝散熱器主要利用熱傳導和熱對流，即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上，熱量通過(guò)傳導方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過(guò)能流換熱的方式由空氣帶出機箱。實(shí)際的散熱情況為三種傳熱方式的綜合，可以用牛頓公式來(lái)統一表達： ?=KSг，其中S為散熱表面積，K為表面散熱系數。表面散熱系數通常由試驗確定，在一般的工程流體力學(xué)中有數據可查。它把傳熱的三種形式全部統一起來(lái)了。 通過(guò)?=KSг，我們可以在計算出耗散功率以后，根據允許的溫升г來(lái)確定散熱表面積S，并由此而確定所要選擇的散熱器。這種計算對于提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性、功率密度、性?xún)r(jià)比等都有重要意義。若采用強制風(fēng)冷，加裝風(fēng)扇，則對整流模塊來(lái)說(shuō)，風(fēng)扇的MTBF是所有元器件中最低的，一直都是制約整流模塊提高M(jìn)TBF的瓶頸，所以采取各種措施提高散熱效率來(lái)延長(cháng)風(fēng)扇壽命具有重要的意義。 6結語(yǔ) 本文簡(jiǎn)要闡述了負荷率及溫度對開(kāi)關(guān)電源可靠性的影響，大量實(shí)驗證明了開(kāi)關(guān)電源的負荷率設計是否合理對開(kāi)關(guān)電源的可靠性有重要影響，最后分析了開(kāi)關(guān)電源發(fā)熱和散熱兩方面的情況，優(yōu)先采用降低發(fā)熱的各種技術(shù)，同時(shí)提高散熱效果，許多廠(chǎng)家都采用這種設計思想，取得了很好的效果。電源設備可靠性的高低，不僅與電氣設計，而且同器件、結構、裝配、工藝等方面有關(guān)。本文主要從元器件的負荷率及溫度對開(kāi)關(guān)電源可靠性的影響進(jìn)行了闡述，為從事開(kāi)關(guān)電源設計的技術(shù)人員提供一些借鑒的設計方法。 |
