开关电源可靠性设计研究

分享到:

 

 损耗引起的元器件失效取决于工作时间的长短,与工作应力无关。铝电解电容长期在高频下工作会使电解液逐渐损失,同时容量亦同步下降,当电解液损

失40%时,容量下降20%;电解液损失90%时,容量下降40%,此时电容器芯子已基本干涸,不能再予使用。为防止发生故障,一般情况下应在图纸上标明铝电解电容器更换的时间,到期强迫更换。

2.5保护电路的设置

  为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作,应设置多种保护电路,如防浪涌冲击、过压、欠压、过载、短路、过热等保护电路。

3电磁兼容性(EMC)设计

  开关电源因采用脉冲宽度调制(PWM)技术,其脉冲波形呈矩形,上升沿与下降沿均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,因而使电磁兼容性成为系统的重要问题。

  如图1所示,产生电磁干扰有三个必要条件:干扰源、传输介质、敏感的接收单元,EMC设计就是破坏这三个条件中的一个。

图1形成电磁干扰的三个条件

  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10kHz~30MHz,我们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与下降时间来解决未必是一个好办法,解决办法之一是加装电源EMI滤波器、输出滤波器及吸收电路,参见图2。电源EMI滤波器实际上是一种低通滤波器,它毫无衰减地把50Hz或400Hz交流电能传递给电子设备,却大大衰减传入的干扰信号,同时又能抑制设备本身产生的干扰信号,防止它窜入电网,危害公网其它设备。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器件参数,根据实际要求选择额定电压、额定电流、漏电流、绝缘电阻、温度条件等参数。电源EMI滤波器最好安装在机壳电源线进口的插座附近。抑制输出噪声的对策基本上按10kHz~150kHz、150kHz~10MHz、10MHz以上三个频段来解决。10kHz~150kHz范围内主要是常态噪声,一般采用通用LC滤波器来解决。150kHz~10MHz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。共模扼流圈要采用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料,电感量在(1~2)mH、电容量在3300pF~4700pF之间,如果控制低频段的噪声,可以适当加大LC的取值。在10MHz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(2~20)Ω之间,C在1000pF~10nF之间,C应选用高频瓷介电容。

  良好的布局和布线技术也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,应注意以下几点:

  ①尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积。

  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控制电路和功率电路分开,采用单点接地方式,大面积接地容易引起天线作用,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采用多只低ESR(等效串联电阻)的电容并联滤波。

  ⑦采用铜箔进行低感低阻配线。

  ⑧相邻印制线之间不应有过长的平行线,走线尽量避免平行,采用垂直交叉方式,线宽不要突变,也不要突然拐角。禁止环形走线。

  ⑨滤波器的输入和输出线必须分开。禁止将开关

电源的输入线和输出线捆扎在一起。

  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。目前为减少重量大都采用铝合金外壳,但铝合金导磁性能差,因而外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆,内壁贴覆高导磁率的屏蔽材料。外壳永久连接处用导电胶粘牢或采用连续焊缝结构,需拆卸的可以用导电橡胶条压紧来保证电磁连续性。导电材料要求导电性能高、有弹性、具有最小的宽厚比。

4电源设备可靠性热设计

除了电应力之外,温度是影响设备可靠性最重要的因素。电源设备内部的温升将导致元器件的失效,当温度超过一定值时,失效率将呈指数规律增加,温度超过极限值时将导致元器件失效。国外统计资料表明电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%;温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6。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,这包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法。

  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,而不采用风冷、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在印制板的上部,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,需要适当加大裕量。散热器安装器件的平面要求光滑平整,一般在接触面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来抑制温升。

5安全性设计

对于电源而言,安全性历来被确定为最重要的性能之一,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,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是防止触电和烧伤。

  对于商用设备市场,具有代表性的安全标准有UL、CSA、VDE等,内容因用途而异,容许泄漏电流在0.5mA~5mA之间,我国军用标准GJB1412规定的泄漏电流小于5mA。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器电容Cy的容量,如图2所示。从EMI滤波器角度出发电容Cy的容量越大越好,但从安全性角度出发电容Cy的容量越小越好,电容Cy的容量根据安全标准来决定。若电容Cx的安全性能欠佳,电网瞬态尖峰出现时可能被击穿,它的击穿虽然不危及人身安全,但会使滤波器丧失滤波功能。为了防止误触电,插头座原则上产品端(非电源端)为针,电网端(电源端)为孔;电源设备之输入端为针,输出端为孔。

  为了防止烧伤,对于可能与人体接触的暴露部件(散热器、机壳等),当环境温度为25℃时,其最高温度不应超过60℃,面板和手动调节部分的最高温度不超过50℃。

6三防设计

三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。

  在设计时,对于密封有要求的元器件应采取密封措施;对于不可修复的组合装置可采用环氧树脂灌封;所用元器件、原材料的吸湿度应较小,不得使用含有棉、麻、丝等易霉制品;对密封机箱、机柜应设置防护网,以防昆虫和啮齿动物进入;直接暴露在大气中装置的外顶部不应采用凹陷结构,避免积水导致腐蚀;可以选用耐蚀材料,再通过镀、涂或化学处理使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,隔离周围介质;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的三防清漆可以有效地避免导线之间的电晕、击穿,提高电源的可靠性;电感、变压器应进行浸漆、端封,以防潮气进入引发短路事故。

7结语

以上建议只适用于军用电源,对于商用和工业用产品可以在某些方面作出不同的选择。总之,电源设备可靠性的高低,不仅与电气设计,而且同元器件、结构、装配、工艺、加工质量等方面有关。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.

 

 

Csh1.gif (2575 字节)