电子产品电源设备可靠性设计探究

作者:   日期:2019-08-01

摘要:分析了开关电源可靠性工程设计中应考虑的几个问题, 开关电源作为一个电子系统中重要的部件, 其可靠性决定了整个系统的可靠性。从开关电源电气可靠性工程设计技术、电磁兼容性 (EMC) 设计技术、电源设备可靠性热设计技术、安全性设计技术、三防设计技术和抗振性设计技术六个环节上进行了分析和探讨, 提出可靠性是以设计为基础, 在实际工程应用中还可以通过各种试验取得反馈数据来完善设计, 从而进一步提高开关电源的可靠性。

关键词:开关电源; 可靠性; 电磁兼容性; 热设计; 安全性设计; 三防设计; 抗振性设计;

引言:

  电子产品的质量是技术性和可靠性两方面的综合。电源作为一个电子系统中重要的部件, 其可靠性决定了整个系统的可靠性, 特别是军用电子系统对电源设备的要求更为苛刻, 它应能在各种恶劣条件下稳定可靠地工作, 所以提出了“设计以可靠性第一, 最大工作效率第二”的原则。在一些可靠性要求特别高的系统中, 提高电源的可靠性具有无比重要的意义。



一、 开关电源电气可靠性工程设计技术

 1.1、 供电方式的选择

  传统的集中式供电系统, 由于各输出电压之间的偏差以及传输距离的不同而造成的压差降低了供电质量, 而应用单台电源给部件供电, 发生故障时就可能导致系统瘫痪。相对于集中式供电而言, 分布式供电有供电质量高、效率高、可靠性高和扩展功率容易且具有较好的可维修性等优点, 所以采用分布式供电系统可以满足高可靠性设备的要求。

 1.2、 电路拓扑的选择

  开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。以工频电网AC220 V/50 Hz为例, 单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压加上漏感储能引起的尖峰约在800 V左右, 如果按60%降额使用, 则使得耐压1 400 V的开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中, 若两路驱动脉冲不一致, 就会使电路工作于不平衡状态, 导致变压器原边单向偏磁饱和, 使开关管损坏, 而半桥电路具有自动抗不平衡能力不会出现这个问题。双管正激式、双正激式和半桥电路的开关管承压仅为输入电源电压, 60%降额时选用600 V的开关管比较容易, 而且不会出现单向偏磁饱和的问题, 这三种拓扑在高压输入电路中得到广泛的应用。

 1.3、 功率因数校正技术

  开关电源的谐波电流污染电网, 干扰了其他共网设备, 还可能会使采用三相四线制的中线电流过大, 引发事故, 解决途径之一是采用具有功率因数校正技术的开关电源。

 1.4、 控制策略的选择

  在中小功率的电源中, 采用电流型PWM控制方法, 此种方法不会因过流而使开关管损坏, 大大减小过载与短路的保护, 并且具有优良的电网调整率、瞬态响应迅捷、环路稳定、易补偿和纹波小等优点。控制中采用软开关技术使开关器件在零电压或零电流状态下开关, 实现开关损耗为零, 从而可将开关频率提高到兆赫级水平, 这种应用软开关技术的变换器综合了PWM变换器和谐振变换器两者各自的优点, 接近理想的特性, 如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、很宽的控制范围及负载范围。但是量化生产应用这种技术的电源要求很高的器件一致性, 此技术主要应用于大功率系统, 小功率系统中较少见。

 1.5、 元器件的选用

  因为元器件直接决定了电源的可靠性, 所以元器件的选用非常重要。元器件的失效集中在以下四点:

  (1) 制造质量问题

  质量问题造成的失效与工作应力无关。质量不合格器件可以通过严格的检验加以剔除, 在工程应用时应选用定点生产厂家的成熟产品, 不允许使用没有经过认证的产品。

  (2) 器件可靠性的问题

  器件可靠性问题即基本失效率的问题, 这是一种随机性质的失效, 与质量问题的区别是器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下, 器件的失效率会大大下降。为剔除不符合使用要求的元器件, 包括电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、稳定性差、早期失效等, 应进行筛选试验, 这是一种非破坏性试验。通过筛选可使元器件使用失效率降低1~2个数量级, 当然筛选试验代价 (时间与费用) 很大, 但综合维修、后勤保障、整架联试等还是合算的, 研制周期也不会延长[1]。

  (3) 设计问题

  首先是恰当地选用合适的器件:应尽量选用硅半导体器件、多采用集成电路控制、开关管选用MOSFET能简化驱动电路、输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管、吸收电容器要求具有高频低损耗和耐高温的特性等。

  其次关于降额设计:电子器件的基本失效率取决于工作应力 (包括电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等) 。除个别低应力失效的器件外, 其他均表现为工作应力越高, 失效率越高的特性。为了使元器件的失效率降低, 所以在电路设计时要进行降额设计。降额程度, 除可靠性外还需考虑体积、质量、成本等因素。不同的器件降额标准亦不同, 实践表明, 大部分电子元器件的基本失效率决定于电应力和温度, 因而降额也主要是控制这两种应力, 所以应选择合适的降额系数。

  (4) 损耗问题

  损耗问题即元器件的失效取决于工作时间的长短, 与工作应力无关。如铝电解电容长期在高频中工作会使电解液逐渐损失, 同时容量亦同步下降。为防止电源发生故障, 一般情况下军品电源的铝电解电容器使用10年后必须强迫更换。

 1.6、 保护电路

  为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作, 应在设计时加入多种保护电路, 如防浪涌冲击、过欠压、过载、短路、过热等保护电路。

二、 电磁兼容性 (EMC) 设计技术

  开关电源多采用脉冲宽度调制 (PWM) 技术, 脉冲波形呈矩形, 其上升沿与下降沿包含大量的谐波成分, 另外输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰 (EMI) , 这是影响可靠性的不利因素, 这使得系统具有电磁兼容性成为重要问题。

  对于开关电源而言, 主要是抑制干扰源, 干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等。EMI按传播途径分为传导干扰和辐射干扰。传导噪声的频率范围很宽, 从10 kHz~30 MHz, 虽然知道产生干扰的原因, 但从效率上来讲, 通过控制脉冲波形的上升时间来解决未必是一个好办法。一般情况下是加装电源EMI滤波器、输出滤波器以及吸收电路, 参见图2。

  电源EMI滤波器实际上是一种低通滤波器 (图中C1~C4) , 它毫无衰减地把50 Hz或400 Hz交流信号传递到电子设备上去, 却大大衰减电流传入的干扰信号, 同时又能抑制设备本身产生的干扰信号, 防止它窜入电网, 危害其他设备。选择EMI滤波器是根据插入损耗的大小来选择滤波器网络结构和元件参数, 根据额定电压、额定电流、漏电流、绝缘电阻、温度条件等要求选择具体型号。

  电源EMI滤波器最好安装在机壳电源线插头的附近。输出噪声对策基本按10~150 k Hz、150 kHz~10 MHz、10 MHz以上三个频带来解决。10~150 k Hz范围内主要是常态噪声, 通常采用通用LC滤波器来解决 (图中L1和C6) ;150 kHz~10 MHz范围内主要是共模成分的噪声, 通常采用共模抑制滤波器来解决。共模阻流圈要采用磁导率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料, 电感量在1~2 m H、电容量在3 300~4 700pF之间, 如果控制低频段的噪声, 可以适当加大LC的取值。在10 MHz以上频率段的对策是改进滤波器的外形。输出整流二极管的反向恢复也会引起电磁干扰, 这种情况可以采用RC吸收电路来抑制电流的上升率, 通常R在2~20Ω之间, C在1 000 pF~10 nF之间, 应选用高频瓷介电容。

  良好的布局和布线技术是控制噪声的一个重要手段, 为减少噪声的发生和防止由噪声导致的误动作, 要注意以下几点:

  (1) 尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积 (C5、T2和VT1及T2、VD5和VD6) , 见图2;

  (2) 缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管;

  (3) 脉冲电流流过的区域远离输入输出端子, 使噪声源和出口分离;

  (4) 控制回路和功率回路分开, 采用单点接地方式。大面积接地容易产生干扰, 所以建议不要采用大面积接地方式

  (5) 必要时可以将输出滤波电感安置在地回路上;

  (6) 用多只ESR低的电容并联滤波;

  (7) 用铜箔进行低感低阻配线;

  (8) 相邻之间不应有过长的平行线, 走线尽量避免平行, 交叉用垂直方式, 线宽不要突变, 印制线也不要突然拐角。

  对于辐射干扰主要应用密封屏蔽技术, 在结构上实行电磁封闭, 要求外壳各部分之间具有良好的电磁接触, 以保证电磁的连续性。目前为减少质量大都采用铝合金外壳, 但铝合金导磁性能差, 因而外壳镀层镍或喷涂导电漆, 内壁贴覆高磁导率的屏蔽材料。外壳连接处、永久连接处用导电胶黏牢, 需拆卸的可以用导电橡胶条压紧来保证电磁连续性。

三、 电源设备可靠性热设计技术

  电源设备在温度超过一定值的时候, 失效率将呈指数规律增大, 温度超过极限值时就导致元器件失效, 温度是影响设备可靠性最重要的因素。这就需要在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升, 这就是热设计。

  热设计的原则:一是减少发热量, 即选用更优的控制方式和技术, 如移相控制技术、同步整流技术等, 另外就是选用低功耗的器件, 减少发热器件的数目, 加大加粗印制线的宽度, 提高电源的效率。二是加强散热, 即利用传导、辐射、对流技术将热量转移, 这包括散热器设计、风冷 (自然对流和强迫风冷) 设计、液冷 (水、油) 设计、热电致冷设计、热管设计等[2]。

  强迫风冷的散热量比自然冷却大十倍以上, 但是要增加风机、风机电源、联锁装置等, 这不仅使设备的成本和复杂性增加, 而且使系统的可靠性下降, 另外还增加了噪声和振动, 因而在一般情况下应尽量采用自然冷却, 不采用风冷液冷之类的冷却方式。在元器件布局时, 应将发热器件安放在下风位置或者印制板的上部, 散热器采用氧化发黑工艺处理, 以提高辐射率, 不允许用黑漆涂覆。喷涂三防漆后会影响散热效果, 因而要适量加大裕量。散热器安装管子的平面要求光滑平整, 一般在接触面上涂上硅脂以提高导热率。变压器和电感线圈应选用较粗的导线以减少发热量。

四、 安全性设计技术

  对于电源而言, 安全性历来被确定为最重要的性能, 不安全的产品不但不能完成规定的功能, 而且还有可能发生严重事故, 甚至造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性, 必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容主要包括防止漏电危险、过热危险。

  对于商用设备市场, 因用途而异, 容许泄漏电流在0.5~5 m A之间。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器的C3和C4电容的容量, 如图2所示。从EMI滤波器角度出发, C3和C4电容的容量越大越好, 但从安全性角度出发, C3和C4电容的容量越小越好, C3和C4电容的容量根据安全标准来决定, 通常50 Hz设备小于0.1μF, 400 Hz设备小于0.02μF。若C1和C2电容器的安全性能欠佳, 电网瞬态尖峰出现时可能被击穿, 它的击穿虽不危及人身安全, 但会使滤波器丧失滤波功能。

五、 三防设计技术

  三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。凡应用于我国长江以南、沿海地区以及军用电源均应进行三防设计[3]。

  电子设备的表面在潮湿的海洋大气中会吸附一层很薄的湿水层, 即水膜, 但水膜达到20~30分子层厚时, 就形成化学腐蚀所必须的电解质膜, 这种富含盐分的电解质膜对裸露的金属表面具有很强的腐蚀活性。另外温度突变, 在空气中产生露点, 会使印制线间绝缘电阻下降、元器件发霉, 产生铜绿、引脚被腐蚀断裂等情况。

  湿热环境为霉菌的滋生提供了有利条件。霉菌以电子设备中的有机物为养料, 吸附水分并分泌有机酸, 破坏绝缘, 引发短路, 加速金属腐蚀。

  在工程上, 可以选用耐蚀材料, 再通过镀、涂或化学处理, 即通过对电子设备及其零部件的表面覆盖一层金属或非金属保护膜, 使之与周围介质隔离, 从而达到防护的目的。在结构上采用密封或半密封形式来隔绝外部不利环境。对印制板及组件表面涂覆专用三防清漆可以有效避免导线之间的电晕、击穿, 提高电源的可靠性。变压器应进行浸漆、端封, 以防潮气进入引发短路事故。

  三防设计与电磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防设计优异就具有良好的电气绝缘性, 而电气绝缘的外壳就没有好的屏蔽效果, 这两方面需综合考虑。在整机设计中, 应充分考虑屏蔽与接地要求, 采取合理的工艺, 保证有电接触的表面长期导通。

六、 抗振性设计技术

  振动也是造成电源故障的一个重要原因。在振动试验中常发生钽电容和铝电解电容器引线被振断情况, 这些就要求加固设计。一般可以用硅胶固定钽电容, 给高度超过25 cm和直径超过12 cm的铝电解电容加装固定夹, 给印刷板加装肋条。

七、 结束语

  以上建议只是适用于工业品和军品电源, 对于商业级产品可以在某些方面做出不同的选择。总之电源设备可靠性的高低, 不仅跟电气设计, 而且跟装配、工艺、结构设计、加工质量等各方面有关。可靠性是以设计为基础, 在实际工程应用上, 还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计, 进一步提高电源的可靠性。

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