開關電源可靠性工程設計探索

范莉莎

（深圳市昌寶機電設備有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

電子產品的質量主要體現在技術性與可靠性兩個方面。在電子系統中，電源發揮著重要作用，電源的可靠性也決定于整體系統的可靠性。一件電子產品應用期限費用的90%以上都由設計環節所決定，注重開關電源可靠性工程設計非常重要。

1 開關電源可靠性的主要設計環節

1.1 供電模式的選取

供電模式有集中式和分布式兩種供電方式[1]。由于傳統的供電系統主要運用集中式方式，加之給部件供電應用方式以單臺電源為主，如此一來，無法達到有效控制的目的，一旦機器出現故障問題，會使整個系統出現癱瘓。而分布式供電方式與集中式相比有明顯差異，因為分布式供電方式比較方便，穩定性較高，其性能優勢更加顯著，所以在開關電源設計中一般運用分布式供電方式，以便提高開關電源的可靠性、安全性。

1.2 電路拓撲的選取

電路拓撲常見的有8種方式可供選擇，例如單端正激方式、單端反激方式、雙管正激方式、雙單端正激方式、雙正激方式、推挽方式、半橋方式以及全橋方式等。

現階段，比較常見的還是以雙管正激方式、雙正激方式為主。通常情況下，開關管都有相應的承壓標準，上述的承壓加上漏感儲能容易導致800 V尖峰，如果根據60%的降額標準加以應用，其耐壓1 400 V開關管就不在考慮范圍之內[2]。另外，驅動脈沖作為考慮的重點，如果兩路驅動并不相同，其電路運作會出現不穩定的現象。為了確保其運用效果，需合理運用拓撲。當前全橋拓撲難以滿足實際要求，但是半橋電路能發揮抗平衡的作用，為此應結合實際情況，注重電路拓撲的選取環節。現階段，雙管正激方式與半橋電路的開關管承壓能力基本相同，都是電源最大輸入電壓，在降額達到60%的情況下，也會帶來不利影響，但不會出現單向偏磁飽和的情況，所以雙管正激方式、半橋方式在電路拓撲選取方面較為實用。

1.3 功率因數校正手段

諧波電流會對電網帶來嚴重的影響，加之電網的線路比較復雜繁瑣，此種電流容易對公共網絡造成威脅。基于此，需運用功率因數校正，盡可能運用相應的開關類型。

1.4 控制方案的選取

在程序設計環節中，控制也十分關鍵，既要達到良好的控制效果，又不會對開關造成不利的耗損影響。現階段，中小功率的電源可應用電流型PWM控制方式，顯著的優勢就是能夠有效保護開關管，不會由于過流而形成不利影響，反應相對敏捷，很少出現短路問題。在控制環節中，利用軟開關能達到無損耗的目的，從而增加開關的使用頻率[3]。

1.5 元器件的選取

由于元器件容易對電源的可靠性帶來影響，因此應重視元器件的選取，否則會對最終的設計造成不利影響。通常情況下容易出現以下問題。

（1）制造質量問題。開關電源可靠性工程設計是否具有可行性，關鍵點在于各個部件的質量，為此在對各個器件展開合理選取時，需要遵循相應的標準要求。只有通過質量檢驗，才能確保開關電源的可靠性，滿足相應的標準要求。

（2）器件的可靠性問題。在一定情況下，器件的可靠性并不全是質量問題導致，除去質量問題，還有一種偶然性，即工作應力水平[4]。此應力水平在相應標準下容易出現失效現象，通常會運用有效的應對對策。部分器件未能滿足標準要求，需要把這些不符合標準的零件準確找出，以便提高開關電源可靠性工程設計的質量。

（3）設計環節的問題。首先最為關鍵的環節就是器件的選取，因器件種類繁多，應根據實際情況選取最適當的器件，同時也要遵循靈活、可修復性原則。其次，有關降額需滿足相關要求，主要通過多維考量處理好基本失效率與工作應力的內在關系。基本失效率與工作應力存在正比關系，一方升高，另一方也會提高。

（4）損耗問題。損耗通常情況下與不同部件的應用時長有一定關聯性，簡單來講，就是應有期限，不能要求一個部件可以一直應用下去[5]。所有部件都是有相應期限的，基于可靠性的考量，特別是電容器的應用時長需要合理管控，不能長期使用，以避免安全事故問題的發生。

（5）電路保護。在開關電源可靠性工程設計時，需要基于大局觀的層面對其他因素加以考量，注重電路保護環節。

2 電磁兼容性設計方法

諧波有一定的干擾性質，對于開關電源可靠性工程設計來講有一定的威脅，為此需要注重對電磁兼容性的考量。想要保證開關電源的可靠性，最為關鍵的就是干擾源頭的控制，將干擾誘因逐一找出來[6]。利用適當的濾波儀器，進一步掃清對信號的干擾障礙。另外，避免設備自身形成干擾信號，防止其竄入電網，對其他設備帶來不利影響。

3 熱設計技術方法

電源設備的元器件熱穩定性會隨環境溫度升高變差，一旦溫度超過標準值，元器件失效率也會進一步提升，當溫度超出極限，會使元器件失效。根據相關研究發現，電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性會降低10%；當升高50 ℃時，其壽命只有升溫25 ℃的16.66%左右[7]。除去電應力以外，溫度也是影響儀器可靠性的關鍵要素，這就需要在技術方面運用限制機箱與元器件溫升方式。

關于熱設計的基本原則，主要包括以下幾點。（1）控制發熱量。運用有效的控制方式，例如移相控制方法、同步整流方法等。除此之外，選取功耗較低的器件，擴大加粗印制線的寬度，進一步強化電源的運作效率。（2）注重散熱。運用傳導技術、輻射技術、對流技術等把熱量轉移，主要以散熱器設計以及冷風設計、液冷設計、熱電制冷設計以及熱管設計為主。

相較于自然冷卻，強迫風冷的散熱量明顯較大。但是要增設風機、風機電源系統等設施，不僅會使設備成本升高，還會降低系統的可靠性能，容易產生噪聲、振動等問題。在一般情況下主要運用自然冷卻的方式，不建議應用風冷、液冷等冷卻方式。在元器件設計方面，需要把發熱器件放置于下風位置或者印制板上方，散熱器利用氧化發黑技術，增強輻射效率，不能使用黑漆直接進行涂抹。在噴涂三防漆之后，容易對散熱性帶來影響，應適當增加使用計量。散熱器安裝管子的平面需保持平滑、平整，通常在接觸面上涂抹硅脂，可強化導熱率。變壓器與電感線圈也要盡可能選取比較粗的導線，能夠降低發熱量。

4 安全性設計方式

對于開關電源來講，安全性是一項基礎性能，安全性較低的產品不但無法滿足規定的功能要求，還容易增加安全事故的發生概率，嚴重情況下會對人員的安全造成極大威脅。安全性能在設計過程中需要對防止漏電、發熱程度等因素加以考量，對于不同儀器設備，也要靈活運用。

針對商用設備市場，UL、CSA、VDE等作為代表性的安全標準，其允許泄漏電流一般在0.5～5.0 mA，而軍用標準GJB 1412要求的泄漏電流不超過5.0 mA。開關電源設備對地泄漏電流的大小與EMI濾波器Y電容的容量有關。基于EMI濾波器的層面進行分析，Y電容容量越大其效果越好；而在安全性能的層面，Y電容容量越小越好。當X電容器安全性能較弱時，電網瞬態尖峰容易出現被擊穿的現象，盡管此擊穿現象不會對工作者的人身安全造成極大影響，但是會讓濾波儀器喪失濾波的功能。

5 三防設計方法

三防設計主要針對防潮設計、防煙霧設計以及防霉菌設計，一般在我國長江以南、沿海區域、軍用電源中普遍運用。電子產品的表面長期處在海洋大氣當中，因在潮濕環境下會吸附一層比較薄的濕水層，俗稱為水膜，當水膜達到20～30分子層厚的情況下，就會產生化學腐蝕所需的電解質膜，此種蘊含鹽分的電解質膜對于裸露金屬表面有著顯著的腐蝕活性[8]。除此之外，當溫度發生突變，容易在空氣中形成露點，也會讓印制線之間的絕緣電阻減弱、元器件發霉，從而形成銅綠、引腳被腐蝕斷裂等現象。

濕熱的環境容易為霉菌提供便利的形成條件，霉菌主要以電子儀器中的有機物作為養料，可以吸附水分，且分泌的有機酸會對絕緣性能帶來破壞影響，導致短路問題的發生，加快金屬腐蝕的速度。在工程建設中，可選取耐腐蝕性的材料，再運用鍍、涂或者化學處理方式，簡單來講就是對電子儀器、零部件的表面覆蓋一層金屬或者非金屬保護膜，使其和附近介質相互隔離，發揮防護的作用[9]。在結構方面，應用密封或者半密封的方式，將外部不利環境有效隔絕。針對印制板與組件表面進行專用三防清漆的涂覆，從而避免導線之間出現電暈、擊穿現象，增強開關電源的可靠性。變壓器也要通過浸漆、端封等處理方式，避免進入潮氣，發生短路。

三防設計和電磁屏蔽具有矛盾性，如果三防設計良好，能夠發揮顯著的電氣絕緣作用，然而電氣絕緣外殼沒有屏蔽效果，對于上述情況應該加以重視。在整機設計過程中，需要對屏蔽和接地要求加以了解，從而運用適當的技術手段確保有電接觸的表面長期導通。

6 抗震性設計方法

開關電源形成故障問題的原因很多，去除上述所描述的因素，還有抗震性設計。通常電容器中都有引線，此種引線十分脆弱，根本原因是牢固性較弱，需要對其進行加固處理。一般情況下，可以利用硅膠固定恒電容的方式，給高度大于25 cm且直徑超過12 cm的鋁電解電容器進行固定夾安裝，向印制板裝置肋條等。

7 結 論

綜上所述，用戶對產品的可靠性提出較高的要求，此種背景下，社會各界對開關電源可靠性工程設計給予高度重視。在開關電源可靠性研究中對不同環節提出相應的工程設計方案，但是受相關因素的影響，文章中所提及的方法只適用于工業制品、軍用品開關電源。開關電源的可靠性工程設計和許多因素都有關聯性，要在不同設計環節確保其質量。隨著科學技術的發展，開關電源可靠性工程設計會得到持續優化，以提高產品的安全性能，延長產品的應用期限。