淺談電子設備電源的耐環(huán)境應力設計

王璐

摘 要：主要介紹了電子設備中電源的耐環(huán)境應力設計和相應的設計措施，并指出了影響電源可靠性的環(huán)境因素有高溫、低溫、潮濕、溫度沖擊、機械應力、電磁輻射、噪聲干擾、低氣壓、砂塵、鹽霧、淋雨、霉菌和它們的復合形式。電子設備的熱量主要集中在電源部分，這些熱量如果不能及時散去，就會使電源內部溫度過高進而引發(fā)故障。所以，電源的熱設計是耐環(huán)境應力設計要重點考慮的指標之一。

關鍵詞：電源；應力設計；熱設計；密封；散熱

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0018-02

由于電子設備消耗的功率過大，所以，需要在各種直流電壓下工作，需要獨立的電源來供給。電源的可靠性直接影響著整機系統(tǒng)、設備、儀器、儀表的可靠性。在進行可靠性設計時，不但應清楚電源的工作環(huán)境，還要了解影響電源可靠性的主要環(huán)境因素及其強度、頻率、持續(xù)時間和各因素之間的相互關系，還應該明白電子設備的熱量主要集中在電源部分，這些熱量如果不能及時處理，就會使電源內部溫度過高進而引發(fā)故障。所以，電源的熱設計應是耐環(huán)境應力設計重點參考的指標之一。溫度過高、過低都會影響電源的可靠性，熱設計就是要保證電源在規(guī)定溫度下完成規(guī)定的功能，從而提高電源的可靠性，同時滿足用戶的需求。

1 高溫環(huán)境

主要影響：高溫環(huán)境會使電源內的電阻、電感、電容、電功率系數和介電常數等電性能參數發(fā)生變化，使絕緣子絕緣失效。活動元件可能會因膨脹而使結構失效、表面起泡、氧化，并加速其他化學反應。潤滑劑黏度降低和蒸發(fā)就會喪失潤滑性。物理膨脹會增加活動部件的磨損程度，降低結構強度等。

可靠性設計措施：采用散熱裝置、冷卻系統(tǒng)、隔熱耐熱材料進行自然冷卻、強制冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱管冷卻，或采用熱傳導或熱輻射技術。

2 低溫環(huán)境

主要影響：有些電化學類電源的低溫性能不好，需要在低溫環(huán)境中將其加熱。由于其熱值設計偏低或保溫層不好，會造成電源內部溫度過低，電介質導電差、內阻增大、電壓低、電源容量低的失效模式，也會使電源塑料和橡膠失去柔性而變脆。有潮氣時，會出現結冰現象，潤滑劑會變成膠質且變黏，失去潤滑性。同時，涂覆表面會龜裂，并且由于物理性收縮而使結構失效等。

可靠性設計措施：采用加熱裝置（電加熱、化學加熱、中和加熱）進行隔熱處理，并選用耐低溫的材料等。

3 潮濕環(huán)境

主要影響：潮濕現象的表現之一是結露。結露是設備內的溫度超過了飽和濕度，使水蒸氣變成水，并附著在設備內部，這也成為了離子遷移的原因，同時，濕氣也能滲入多孔性材料內，造成導電體之間漏電通路，產生氧氣。水分子可以滲透用來封裝零部件的樹脂，進而擴散，直到電源內濕度變高產生故障。零部件吸潮可以增加絕緣電阻，影響其激活時間、放電時間和工作時間，另外，還可能造成正負極柱銹蝕、零部件膨脹且容易破裂，進而喪失電強度和機械強度，使其結構崩潰。但是，過度干燥也會使某些材料變脆，表面變粗糙。

可靠性設計措施：采用密封、耐潮材料，使用干燥劑、防護涂層、鍍層等。

4 溫度沖擊

主要影響：溫度沖擊可以使電源的材料承受瞬間超應力，造成龜裂、裂紋、層離等機械失效和密封破壞等，同時，永久性改變電性能。

可靠性設計措施：使用防高溫和防低溫綜合技術。

5 機械應力

主要影響：機械應力主要指沖擊、振動、加速度、力學諧振、拉力、剪應力和彎曲力等。它能降低電源的機械結構強度、加劇磨損程度。結構破壞會造成零部件松動、散架或脫落。機械性能受到破壞還會引發(fā)短路現象，降低電性能。

可靠性設計措施：加固結構件，降低慣性動量，采用抗震技術控制諧振。一般的減震器有金屬彈簧、橡膠蜂窩狀紙質、泡沫聚苯乙烯塑料等。去耦技術和阻尼技術也是減少沖擊、振動的一種可靠性設計技術。

6 電磁輻射

主要影響：產生錯誤信號，改變材料的物理、化學特性和電性能，產生氣體和二次輻射，使表面氧化、褪色。

可靠性設計措施：采用屏蔽的方法，并選擇合適的材料和元器件類型。

7 噪聲干擾

主要影響：外部噪聲主要有高負荷設備啟動造成的電壓瞬時跌落、波形失真；電火花、無線電發(fā)射引發(fā)的噪聲；開關電源自身也會產生噪聲，比如在功率轉換開關管從導通到截止的瞬態(tài)過程中，高脈沖波形的電流、電壓包含高次諧波分量易產生噪聲；在開關高速工作時，非線性元件、傳輸導線分布的電感、電容易發(fā)生寄生振蕩，有可能產生噪聲。

可靠性設計措施：采用高頻大容量電容作為輸出濾波，從而加強濾波和屏蔽。

8 低氣壓

主要影響：因密封不良而引發(fā)漏氣，出現排氣現象，其內部熱量增加會影響電源的密封性能，降低空氣介電常數。絕緣體飛弧或擊穿形成逆弧，出現電暈和臭氧，使電性能發(fā)生變化。同時，還會使包裝材料破裂，降低機械強度。

可靠性設計措施：增加容器的機械強度，加強密封措施，改進絕緣和熱傳導方法。

9 砂塵

主要影響：會擦傷電源、磨損精加工表面；使氣孔堵塞、潤滑劑被玷污、絕緣件被玷污，進而產生電暈通路，降低電性能。

可靠性設計措施：采用空氣過濾、密封等措施。

10 鹽霧

主要影響：鹽和水結合成鹽水，電路和元器件沾在一起會導電，加劇金屬銹蝕、化學腐蝕程度，同時，還可以提高導電性，降低絕緣電阻，增加電壓降。

可靠性設計措施：使用非金屬防護蓋，采用密封的方法，并增加一些干燥劑。

11 淋雨

主要影響：造成電源熱損失、浸水、腐蝕、擦傷和堵塞等現象，使其結構被破壞，降低了機械強度，加劇了磨損程度，加速了高低溫效應，進而影響電性能。

可靠性設計措施：加強結構密度，注意密封、防護。

12 霉菌

主要影響：絕緣材料的絕緣電阻和抗電強度大幅度降低，霉菌消耗塑料的增塑劑、填料，使塑性變差，加速其老化速度。天然橡膠制成的密封件被破壞，導致密封被破壞。因為霉菌產生的分泌物對金屬材料有電解作用，所以，會對金屬材料造成腐蝕破壞，漆膜會被穿透.失去其保護作用，進而發(fā)生點腐蝕的狀況。

可靠性設計措施：選擇不易長霉和耐霉性好的材料，在電源表面涂覆防霉劑或防霉漆，利用紫外線照射防霉并消滅已生長的霉菌，以高濃度的臭氧來消滅霉菌。

13 復合環(huán)境因素

電源在實際使用過程中，各種環(huán)境都不是孤立的，單獨作用的情況極少發(fā)生，往往是以復合形式出現的，同時，各種環(huán)境因素之間也是相互關聯的。在生活中，應綜合各種因素來提高電源固有的可靠性。

14 結束語

綜上所述，在對電源的可靠性進行設計時，應了解電源可能遇到的環(huán)境應力類型和應力強度，分析其對電源性能的影響程度，按最壞情況進行設計，使電源抗環(huán)境應力的能力大于實際的環(huán)境應力強度。

參考文獻

[1]孫青.電子元器件可靠性工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]吉田弘之.電子元器件的故障原因及其對策[M].北京：中國標準出版社，2004.

〔編輯：白潔〕

摘 要：主要介紹了電子設備中電源的耐環(huán)境應力設計和相應的設計措施，并指出了影響電源可靠性的環(huán)境因素有高溫、低溫、潮濕、溫度沖擊、機械應力、電磁輻射、噪聲干擾、低氣壓、砂塵、鹽霧、淋雨、霉菌和它們的復合形式。電子設備的熱量主要集中在電源部分，這些熱量如果不能及時散去，就會使電源內部溫度過高進而引發(fā)故障。所以，電源的熱設計是耐環(huán)境應力設計要重點考慮的指標之一。

關鍵詞：電源；應力設計；熱設計；密封；散熱

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0018-02

由于電子設備消耗的功率過大，所以，需要在各種直流電壓下工作，需要獨立的電源來供給。電源的可靠性直接影響著整機系統(tǒng)、設備、儀器、儀表的可靠性。在進行可靠性設計時，不但應清楚電源的工作環(huán)境，還要了解影響電源可靠性的主要環(huán)境因素及其強度、頻率、持續(xù)時間和各因素之間的相互關系，還應該明白電子設備的熱量主要集中在電源部分，這些熱量如果不能及時處理，就會使電源內部溫度過高進而引發(fā)故障。所以，電源的熱設計應是耐環(huán)境應力設計重點參考的指標之一。溫度過高、過低都會影響電源的可靠性，熱設計就是要保證電源在規(guī)定溫度下完成規(guī)定的功能，從而提高電源的可靠性，同時滿足用戶的需求。

1 高溫環(huán)境

主要影響：高溫環(huán)境會使電源內的電阻、電感、電容、電功率系數和介電常數等電性能參數發(fā)生變化，使絕緣子絕緣失效。活動元件可能會因膨脹而使結構失效、表面起泡、氧化，并加速其他化學反應。潤滑劑黏度降低和蒸發(fā)就會喪失潤滑性。物理膨脹會增加活動部件的磨損程度，降低結構強度等。

可靠性設計措施：采用散熱裝置、冷卻系統(tǒng)、隔熱耐熱材料進行自然冷卻、強制冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱管冷卻，或采用熱傳導或熱輻射技術。

2 低溫環(huán)境

主要影響：有些電化學類電源的低溫性能不好，需要在低溫環(huán)境中將其加熱。由于其熱值設計偏低或保溫層不好，會造成電源內部溫度過低，電介質導電差、內阻增大、電壓低、電源容量低的失效模式，也會使電源塑料和橡膠失去柔性而變脆。有潮氣時，會出現結冰現象，潤滑劑會變成膠質且變黏，失去潤滑性。同時，涂覆表面會龜裂，并且由于物理性收縮而使結構失效等。

可靠性設計措施：采用加熱裝置（電加熱、化學加熱、中和加熱）進行隔熱處理，并選用耐低溫的材料等。

3 潮濕環(huán)境

主要影響：潮濕現象的表現之一是結露。結露是設備內的溫度超過了飽和濕度，使水蒸氣變成水，并附著在設備內部，這也成為了離子遷移的原因，同時，濕氣也能滲入多孔性材料內，造成導電體之間漏電通路，產生氧氣。水分子可以滲透用來封裝零部件的樹脂，進而擴散，直到電源內濕度變高產生故障。零部件吸潮可以增加絕緣電阻，影響其激活時間、放電時間和工作時間，另外，還可能造成正負極柱銹蝕、零部件膨脹且容易破裂，進而喪失電強度和機械強度，使其結構崩潰。但是，過度干燥也會使某些材料變脆，表面變粗糙。

可靠性設計措施：采用密封、耐潮材料，使用干燥劑、防護涂層、鍍層等。

4 溫度沖擊

主要影響：溫度沖擊可以使電源的材料承受瞬間超應力，造成龜裂、裂紋、層離等機械失效和密封破壞等，同時，永久性改變電性能。

可靠性設計措施：使用防高溫和防低溫綜合技術。

5 機械應力

主要影響：機械應力主要指沖擊、振動、加速度、力學諧振、拉力、剪應力和彎曲力等。它能降低電源的機械結構強度、加劇磨損程度。結構破壞會造成零部件松動、散架或脫落。機械性能受到破壞還會引發(fā)短路現象，降低電性能。

可靠性設計措施：加固結構件，降低慣性動量，采用抗震技術控制諧振。一般的減震器有金屬彈簧、橡膠蜂窩狀紙質、泡沫聚苯乙烯塑料等。去耦技術和阻尼技術也是減少沖擊、振動的一種可靠性設計技術。

6 電磁輻射

主要影響：產生錯誤信號，改變材料的物理、化學特性和電性能，產生氣體和二次輻射，使表面氧化、褪色。

可靠性設計措施：采用屏蔽的方法，并選擇合適的材料和元器件類型。

7 噪聲干擾

主要影響：外部噪聲主要有高負荷設備啟動造成的電壓瞬時跌落、波形失真；電火花、無線電發(fā)射引發(fā)的噪聲；開關電源自身也會產生噪聲，比如在功率轉換開關管從導通到截止的瞬態(tài)過程中，高脈沖波形的電流、電壓包含高次諧波分量易產生噪聲；在開關高速工作時，非線性元件、傳輸導線分布的電感、電容易發(fā)生寄生振蕩，有可能產生噪聲。

可靠性設計措施：采用高頻大容量電容作為輸出濾波，從而加強濾波和屏蔽。

8 低氣壓

主要影響：因密封不良而引發(fā)漏氣，出現排氣現象，其內部熱量增加會影響電源的密封性能，降低空氣介電常數。絕緣體飛弧或擊穿形成逆弧，出現電暈和臭氧，使電性能發(fā)生變化。同時，還會使包裝材料破裂，降低機械強度。

可靠性設計措施：增加容器的機械強度，加強密封措施，改進絕緣和熱傳導方法。

9 砂塵

主要影響：會擦傷電源、磨損精加工表面；使氣孔堵塞、潤滑劑被玷污、絕緣件被玷污，進而產生電暈通路，降低電性能。

可靠性設計措施：采用空氣過濾、密封等措施。

10 鹽霧

主要影響：鹽和水結合成鹽水，電路和元器件沾在一起會導電，加劇金屬銹蝕、化學腐蝕程度，同時，還可以提高導電性，降低絕緣電阻，增加電壓降。

可靠性設計措施：使用非金屬防護蓋，采用密封的方法，并增加一些干燥劑。

11 淋雨

主要影響：造成電源熱損失、浸水、腐蝕、擦傷和堵塞等現象，使其結構被破壞，降低了機械強度，加劇了磨損程度，加速了高低溫效應，進而影響電性能。

可靠性設計措施：加強結構密度，注意密封、防護。

12 霉菌

主要影響：絕緣材料的絕緣電阻和抗電強度大幅度降低，霉菌消耗塑料的增塑劑、填料，使塑性變差，加速其老化速度。天然橡膠制成的密封件被破壞，導致密封被破壞。因為霉菌產生的分泌物對金屬材料有電解作用，所以，會對金屬材料造成腐蝕破壞，漆膜會被穿透.失去其保護作用，進而發(fā)生點腐蝕的狀況。

可靠性設計措施：選擇不易長霉和耐霉性好的材料，在電源表面涂覆防霉劑或防霉漆，利用紫外線照射防霉并消滅已生長的霉菌，以高濃度的臭氧來消滅霉菌。

13 復合環(huán)境因素

電源在實際使用過程中，各種環(huán)境都不是孤立的，單獨作用的情況極少發(fā)生，往往是以復合形式出現的，同時，各種環(huán)境因素之間也是相互關聯的。在生活中，應綜合各種因素來提高電源固有的可靠性。

14 結束語

綜上所述，在對電源的可靠性進行設計時，應了解電源可能遇到的環(huán)境應力類型和應力強度，分析其對電源性能的影響程度，按最壞情況進行設計，使電源抗環(huán)境應力的能力大于實際的環(huán)境應力強度。

參考文獻

[1]孫青.電子元器件可靠性工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]吉田弘之.電子元器件的故障原因及其對策[M].北京：中國標準出版社，2004.

〔編輯：白潔〕

摘 要：主要介紹了電子設備中電源的耐環(huán)境應力設計和相應的設計措施，并指出了影響電源可靠性的環(huán)境因素有高溫、低溫、潮濕、溫度沖擊、機械應力、電磁輻射、噪聲干擾、低氣壓、砂塵、鹽霧、淋雨、霉菌和它們的復合形式。電子設備的熱量主要集中在電源部分，這些熱量如果不能及時散去，就會使電源內部溫度過高進而引發(fā)故障。所以，電源的熱設計是耐環(huán)境應力設計要重點考慮的指標之一。

關鍵詞：電源；應力設計；熱設計；密封；散熱

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0018-02

由于電子設備消耗的功率過大，所以，需要在各種直流電壓下工作，需要獨立的電源來供給。電源的可靠性直接影響著整機系統(tǒng)、設備、儀器、儀表的可靠性。在進行可靠性設計時，不但應清楚電源的工作環(huán)境，還要了解影響電源可靠性的主要環(huán)境因素及其強度、頻率、持續(xù)時間和各因素之間的相互關系，還應該明白電子設備的熱量主要集中在電源部分，這些熱量如果不能及時處理，就會使電源內部溫度過高進而引發(fā)故障。所以，電源的熱設計應是耐環(huán)境應力設計重點參考的指標之一。溫度過高、過低都會影響電源的可靠性，熱設計就是要保證電源在規(guī)定溫度下完成規(guī)定的功能，從而提高電源的可靠性，同時滿足用戶的需求。

1 高溫環(huán)境

主要影響：高溫環(huán)境會使電源內的電阻、電感、電容、電功率系數和介電常數等電性能參數發(fā)生變化，使絕緣子絕緣失效。活動元件可能會因膨脹而使結構失效、表面起泡、氧化，并加速其他化學反應。潤滑劑黏度降低和蒸發(fā)就會喪失潤滑性。物理膨脹會增加活動部件的磨損程度，降低結構強度等。

可靠性設計措施：采用散熱裝置、冷卻系統(tǒng)、隔熱耐熱材料進行自然冷卻、強制冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱管冷卻，或采用熱傳導或熱輻射技術。

2 低溫環(huán)境

主要影響：有些電化學類電源的低溫性能不好，需要在低溫環(huán)境中將其加熱。由于其熱值設計偏低或保溫層不好，會造成電源內部溫度過低，電介質導電差、內阻增大、電壓低、電源容量低的失效模式，也會使電源塑料和橡膠失去柔性而變脆。有潮氣時，會出現結冰現象，潤滑劑會變成膠質且變黏，失去潤滑性。同時，涂覆表面會龜裂，并且由于物理性收縮而使結構失效等。

可靠性設計措施：采用加熱裝置（電加熱、化學加熱、中和加熱）進行隔熱處理，并選用耐低溫的材料等。

3 潮濕環(huán)境

主要影響：潮濕現象的表現之一是結露。結露是設備內的溫度超過了飽和濕度，使水蒸氣變成水，并附著在設備內部，這也成為了離子遷移的原因，同時，濕氣也能滲入多孔性材料內，造成導電體之間漏電通路，產生氧氣。水分子可以滲透用來封裝零部件的樹脂，進而擴散，直到電源內濕度變高產生故障。零部件吸潮可以增加絕緣電阻，影響其激活時間、放電時間和工作時間，另外，還可能造成正負極柱銹蝕、零部件膨脹且容易破裂，進而喪失電強度和機械強度，使其結構崩潰。但是，過度干燥也會使某些材料變脆，表面變粗糙。

可靠性設計措施：采用密封、耐潮材料，使用干燥劑、防護涂層、鍍層等。

4 溫度沖擊

主要影響：溫度沖擊可以使電源的材料承受瞬間超應力，造成龜裂、裂紋、層離等機械失效和密封破壞等，同時，永久性改變電性能。

可靠性設計措施：使用防高溫和防低溫綜合技術。

5 機械應力

主要影響：機械應力主要指沖擊、振動、加速度、力學諧振、拉力、剪應力和彎曲力等。它能降低電源的機械結構強度、加劇磨損程度。結構破壞會造成零部件松動、散架或脫落。機械性能受到破壞還會引發(fā)短路現象，降低電性能。

可靠性設計措施：加固結構件，降低慣性動量，采用抗震技術控制諧振。一般的減震器有金屬彈簧、橡膠蜂窩狀紙質、泡沫聚苯乙烯塑料等。去耦技術和阻尼技術也是減少沖擊、振動的一種可靠性設計技術。

6 電磁輻射

主要影響：產生錯誤信號，改變材料的物理、化學特性和電性能，產生氣體和二次輻射，使表面氧化、褪色。

可靠性設計措施：采用屏蔽的方法，并選擇合適的材料和元器件類型。

7 噪聲干擾

主要影響：外部噪聲主要有高負荷設備啟動造成的電壓瞬時跌落、波形失真；電火花、無線電發(fā)射引發(fā)的噪聲；開關電源自身也會產生噪聲，比如在功率轉換開關管從導通到截止的瞬態(tài)過程中，高脈沖波形的電流、電壓包含高次諧波分量易產生噪聲；在開關高速工作時，非線性元件、傳輸導線分布的電感、電容易發(fā)生寄生振蕩，有可能產生噪聲。

可靠性設計措施：采用高頻大容量電容作為輸出濾波，從而加強濾波和屏蔽。

8 低氣壓

主要影響：因密封不良而引發(fā)漏氣，出現排氣現象，其內部熱量增加會影響電源的密封性能，降低空氣介電常數。絕緣體飛弧或擊穿形成逆弧，出現電暈和臭氧，使電性能發(fā)生變化。同時，還會使包裝材料破裂，降低機械強度。

可靠性設計措施：增加容器的機械強度，加強密封措施，改進絕緣和熱傳導方法。

9 砂塵

主要影響：會擦傷電源、磨損精加工表面；使氣孔堵塞、潤滑劑被玷污、絕緣件被玷污，進而產生電暈通路，降低電性能。

可靠性設計措施：采用空氣過濾、密封等措施。

10 鹽霧

主要影響：鹽和水結合成鹽水，電路和元器件沾在一起會導電，加劇金屬銹蝕、化學腐蝕程度，同時，還可以提高導電性，降低絕緣電阻，增加電壓降。

可靠性設計措施：使用非金屬防護蓋，采用密封的方法，并增加一些干燥劑。

11 淋雨

主要影響：造成電源熱損失、浸水、腐蝕、擦傷和堵塞等現象，使其結構被破壞，降低了機械強度，加劇了磨損程度，加速了高低溫效應，進而影響電性能。

可靠性設計措施：加強結構密度，注意密封、防護。

12 霉菌

主要影響：絕緣材料的絕緣電阻和抗電強度大幅度降低，霉菌消耗塑料的增塑劑、填料，使塑性變差，加速其老化速度。天然橡膠制成的密封件被破壞，導致密封被破壞。因為霉菌產生的分泌物對金屬材料有電解作用，所以，會對金屬材料造成腐蝕破壞，漆膜會被穿透.失去其保護作用，進而發(fā)生點腐蝕的狀況。

可靠性設計措施：選擇不易長霉和耐霉性好的材料，在電源表面涂覆防霉劑或防霉漆，利用紫外線照射防霉并消滅已生長的霉菌，以高濃度的臭氧來消滅霉菌。

13 復合環(huán)境因素

電源在實際使用過程中，各種環(huán)境都不是孤立的，單獨作用的情況極少發(fā)生，往往是以復合形式出現的，同時，各種環(huán)境因素之間也是相互關聯的。在生活中，應綜合各種因素來提高電源固有的可靠性。

14 結束語

綜上所述，在對電源的可靠性進行設計時，應了解電源可能遇到的環(huán)境應力類型和應力強度，分析其對電源性能的影響程度，按最壞情況進行設計，使電源抗環(huán)境應力的能力大于實際的環(huán)境應力強度。

參考文獻

[1]孫青.電子元器件可靠性工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]吉田弘之.電子元器件的故障原因及其對策[M].北京：中國標準出版社，2004.

〔編輯：白潔〕