從PCB布局分析UPS小機的環境適應性設計

余建宏

（艾默生網絡能源（西安）有限公司，西安 710075）

從PCB布局分析UPS小機的環境適應性設計

余建宏

（艾默生網絡能源（西安）有限公司，西安 710075）

UPS小機的銷售渠道和市場需求決定了其有更多泛工業領域的應用，這類應用環境中的污染物（灰塵和潮濕等）容易形成吸濕性導電塵，對UPS的環境適應性帶來很大挑戰。通過對比分析了三款10 KVA UPS在PCB布局上的優勢，總結出UPS環境適應性是能夠通過PCB布局來改善和提高，為UPS小機的環境適應性設計提供參考。

UPS；吸濕性導電塵；PCB布局；環境適應性

背景

UPS是不間斷電源（Uninterruptable Power Supply）的簡稱，UPS產品廣泛應用于現代信息技術發展的各行業，為精密設備和儀器提供高可靠、綠色、節能和環保的電力保障。它通過不間斷地向所連接負載提供高質量的電力供應，即使在停電時，也可依靠UPS所附帶的電池組經逆變提供交流電繼續工作。

伴隨新興網絡經濟形勢的快速發展，對UPS的應用程度也伴隨信息化步伐的加快而提高。除了傳統的IT機房在使用UPS，例如基站通信、金融、政府、教育、醫療、企業客戶端、超市和商場等眾多領域也有很大的UPS小機市場份額，同時UPS小機的需求也發展到了制造業、石油石化、礦山隧道、軌道交通、航運、電廠等泛工業領域環境。

這里UPS小機專指功率在20 KVA以下的UPS，從2015年UPS市場銷售統計來看，20 KVA以下UPS有銷售占比48.4 %的絕對優勢。這類產品體積小、功率能夠滿足日常使用、且便于搬運和安裝，具有泛工業領域環境銷售的明顯優勢。加上在UPS產品銷售渠道構成中，分銷商/代理商的銷售比例始終呈逐年上升趨勢，這成為UPS小機能夠銷往泛工業領域的很大一個原因，從而也導致UPS小機的使用環境不可控。

1 UPS小機典型環境適應性問題

環境適應性是在產品壽命周期內的貯存、運輸和使用等狀態預期會遇到的各種極端應力的作用下實現其預定功能的能力，即不產生不可逆損壞和能正常工作的能力。環境適應性是產品重要的質量特性之一。UPS小機有較大的市場應用需求，可謂是大好事。但是伴隨著UPS小機使用領域的多樣化，即在眾多泛工業環境下使用，與傳統的IT機房環境差異較大，這類應用環境更復雜和惡劣，常常是環境溫度變化大、濕度大、灰塵大、還會有腐蝕性氣體（如隧道內汽車尾氣）等，這也導致了UPS小機的市場失效問題較多，主要表現在泛工業環境適應性差，更別談產品的可靠性。

UPS小機基本都是強迫風冷型產品，通過軸流風扇強迫風冷卻UPS內部發熱器件和散熱器，當在泛工業環境應用時空氣中的灰塵、潮氣等污染物也會通過風流進入內部附著并逐漸沉積，從而引起漏電流短路炸機、吸濕性導電塵腐蝕等一系列市場失效問題。通過實驗研究表明，干燥或者低濕度（<70 %RH）條件下灰塵阻抗非常大，對產品幾乎無影響或者需要較長時間才會產生影響；但是當濕度增大（>70 %RH）后灰塵吸附潮氣明顯，此時吸濕的灰塵阻抗降低非常明顯，見圖1。漏電流增大會導致高電壓差部位出現短路失效，長時間會發生腐蝕失效，這就是所謂的吸濕性導電塵效應。

圖2是某公司某型號UPS在一年內的故障類型分布情況，從故障定位來看，吸濕性導電塵引起的失效問題約占37 %，成了導致UPS小機失效的主要元兇。

2 業界UPS小機PCB布局對比分析

UPS小機在泛工業環境下頻繁失效，一方面是UPS設計時沒有預測新興領域下的環境風險，二是沒有在UPS的PCB布局設計時考慮到環境適應性設計。隨著電子產品的快速發展，器件及PCB工藝也隨著發生了很大的變化，尤其是SMT技術的快速發展，很多UPS小機使用了大量的貼片器件。但是相關研究表明貼片器件很容易受到污染環境的影響，例如硫化、腐蝕和容易產生漏電流效應，從而導致產品失效。

通過對產品的失效問題進行了研究和分析，主要原因是PCB上的器件容易受到污染環境的影響，或者是說風道中的敏感器件受到了吸濕性導電塵的影響。怎么能夠在這樣的應用環境下規避產品失效和提高產品的環境適應性呢？下面就看看從市面上購買的三家廠商10KVA UPS小機在PCB布局方面的可借鑒之處，期望可以舉一反三，在UPS設計前期就關注環境適應性設計，從而保證產品運行期間的可靠性。

2.1 A公司UPS產品

A公司的UPS采用強制風冷散熱， UPS內部隔離成兩個相對“獨立”的風道，PFC和逆變散熱器加上絕緣紙組成風道，風量集中且只走發熱部件，見圖3。

進風口風道中無小的插件器件，進風口無過孔及細小銅皮走線，見圖4。而逆變側的進風口處有導風紙設計，跨過了進風口有小插件的區域直接到達散熱器上，一是可以將風量更集中的導到散熱器上，有利于散熱；二是可以避免隨風扇進入的污染物沉積在進風口器件處。

圖1 灰塵在不同濕度條件下阻抗的變化

圖2 某UPS小機年度故障類型分布

該UPS單板布局很規整，除了DSP板和充電器板的反面有器件外，其PCB板正面全是插件器件且PCB板反面無器件。散熱器與PCB之間無縫隙設計，可以避免散熱器外側功率器件受到污染環境的影響，母線和電池采樣電阻均為插件電阻。這樣的PCB布局不易灰塵沉積，有污染環境風險的器件布局在非風道上，環境適應性會更好。

2.2 T公司UPS產品

T公司的UPS采用強制風冷散熱，進風口前端都是發熱較大的器件，包括母線電容、IGBT和電感等。兩個風道都是由兩兩散熱器形成的相對“獨立”風道，風道中環境敏感的小器件較少，見圖5。

該UPS單板的前端布局很規整，實際測量進風口的正、負母線銅皮距離都在4 mm以上（見圖6）。兩兩散熱器形成風道，且散熱器與PCB之間無縫隙存在，這種設計風量只走散熱器之間，一是風量非常集中，散熱效果很好；二是可以避免散熱器外側功率器件受污染環境的影響。所有IGBT的管腳間都有開槽處理，在某種程度能夠提高產品的耐污染環境能力。PCB板正面全是插件器件，但PCB板反有不少的貼片器件（包括采樣電阻也是貼片器件）。

2.3 H公司UPS產品

H公司UPS也是采用強制風冷散熱，風道紙及兩兩散熱器形成相對“獨立”風道，這種風道設計思路是風量只走發熱部件（散熱器、電感和母線電容等），產品的環境適應性較高，見圖7。

圖3 A公司UPS內部整體布局

圖4 A公司UPS進風口布局

圖5 T公司UPS內部整體布局

圖6 T公司UPS進風口布局

圖7 H公司UPS風道內的布局

圖8 H公司UPS進風口前端有絕緣紙翻邊擋風設計

進風口風道中小的插件器件較少，該UPS進風口前端在PCBA下方有絕緣紙翻邊擋風設計，見圖8，主要是達到PCB板側及反面不走風量的目的。而UPS采樣電阻采用了貼片器件，但布局在PCBA的反面，好在前端的絕緣紙翻邊處理會降低風量中污染物的影響，對于環境的適應性會高一些。

表1 PCB布局設計總結分析

2.4 總結分析

從前面三家廠商UPS的PCB布局設計來看，較多PCB布局設計都體現了環境適應性設計，比如都是相對“獨立”風道設計思路、PCB板正面全是插件器件、風道中小的器件很少等等，事實也證明了這些UPS在市場上的表現也優于其他廠家。

若UPS小機在進風口布局、風道布局、采樣電阻和功率器件布局等PCB布局設計時考慮到了環境適應性的設計，并能遵循表1的設計要點，UPS小機在泛工業領域應用的環境適應性可以得到較大的提升。

3 結束語

各種泛工業領域的應用環境，對UPS小機的環境適應性和可靠性都提出了更高的要求。UPS產品的環境適應性設計應該是貫穿于項目開發全過程，在產品開發初期就要對其全壽命周期內可遇的環境條件進行科學、合理的分析，了解可遇的環境因素對UPS的影響程度，為產品的結構設計、工藝設計、PCB設計、材料及元器件選型等提供正確的依據，是做好UPS環境適應性設計的前提條件。

本文僅從業界三款UPS 的PCB布局設計進行對比總結分析，提煉出了在環境適應性方面的參考點，總結出UPS環境適應性也是能夠通過PCB布局來改善和提高的，尤其是泛工業污染環境下，UPS若能遵循PCB布局設計要點，其在泛工業環境應用的適應會得到較大改善。

[1]徐永福.不間斷電源（UPS）分類與使用[J].電世界, 2003(3):1-3.

[2]朱慧麗,尹洪舉.軍用電子設備環境適應性設計方法[J].航空電子技術, 2015(6):42-46+52.

[3]2014年UPS市場簡析[J].電源世界, 2014(12):3-5.

Analysis on the Environmental Adaptability Design of UPS Based on the PCB Layout

YU Jian-hong
(Emerson Network Power（Xi’an）Co., Ltd., Xi’an 710075)

UPS small machine sales channels and market requirements determine it have more application in many other industry fields.This kind of pollutants in the application environment (dust and moisture) is easy to form the environmental adaptability of hygroscopic conductive dust on the UPS challenge.Through the comparative analysis of the advantages of three 10KVA UPS in the PCB layout, this paper sums up that the UPS environmental adaptability is able to improve through the PCB layout, and to provide reference for the environmental adaptability design of UPS small machine.

UPS; hygroscopic conductive dust; PCB layout; environmental adaptability

TM46

A

1004-7204（2016）05-0054-04

余建宏（1984-），男，工程師，在艾默生網絡能源從事7年電力電子產品的環境適應性與可靠性設計和試驗研究工作。