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设计一款可靠的开关电源的解决方案(2)

设计一款可靠的开关电源的解决方案(2)

5 可靠性设计
5.1 负荷率的设计
由于负荷率对可靠性有重大影响,故可靠性设计重要的一个方面是负荷率的设计,跟据元器件的特性及实践经验,元器件的负荷率在下列数值时,电源系统的可靠性及成本是较优
的。

5.1.1半导体元器件   
半导体元器件的电压降额应在0.6以下,电流降额系数应在0.5以下。半导体元器件除负荷率外还有容差设计,设计开关电源时,应适当放宽半导体元器件的参数允许变化范围,包括制造容差、温度漂移、时间漂移、辐射导致的漂移等。以保证半导体元器件的参数在一定范围内变化时,开关电源仍能正常工作。

5.1.2电容器   
电容器的负荷率(工作电压和额定电压之比)最好在0.5左右,一般不要超过0.8,并且尽量使用无极性电容器。而且,在高频应用的情况下,电压降额幅度应进一步加大,对电解电容器更应如此。应特别注意,电容器有低压失效的问题,对于普通铝电解电容器和无极性电容的电压降额不低于0.3,但钽电容的电压降额应在0.3以下。电压降额不能太多,否则电容器的失效率将上升。

5.1.3电阻器、电位器
电阻器、电位器的负荷率要小于0.5,此为电阻器设计的上限值;但是大量试验证明,当电阻器降额数低于0.1时,将得不到预期的效果,失效率有所增加,电阻降额系数以0.1为可靠性降额设计的下限值。

总之,对各种元器件的负荷率只要有可能,一般应保持在0.3左右。最好不要超过0.5。这样的负荷率,对电源系统造成不可靠的机率是非常小的。

5.2 电源的热设计  
开关电源内部过高的温升将会导致温度敏感的半导体器件、电解电容等元器件的失效。当温度超过一定值时,失效率呈指数规律增加。有统计资料表明,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。除了电应力之外,温度是影响开关电源可靠性的最重要的因素。高频开关电源有大功率发热器件,温度更是影响其可靠性的最重要的因素之一,完整的热设计包括两个方面:一 如何控制发热源的发热量;二 如何将热源产生的热量散出去。使开关电源的温升控制在允许的范围之内,以保证开关电源的可靠性。下面将从这两个方面论述。

5.2.1 控制发热量的设计   
开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管、功率二极管、高频变压器、滤波电感等。不同器件有不同的控制发热量的方法。功率管是高频开关电源中发热量较大的器件之一,减小它的发热量,不仅可以提高功率管的可靠性,而且可以提高开关电源的可靠性,提高平均无故障时间(MTBF)。开关管的发热量是由损耗引起的,开关管的损耗由开关过程损耗和通态损耗两部分组成,减小通态损耗可以通过选用低通态电阻的开关管来减小通态损耗;开关过程损耗是由于栅电荷大小及开关时间引起的,减小开关过程损耗可以选择开关速度更快、恢复时间更短的器件来减少。但更为重要的是通过设计更优的控制方式和缓冲技术来减小损耗,如采用软开关技术,可以大大减小这种损耗。减小功率二极管的发热量,对交流整流及缓冲二极管,一般情况下不会有更好的控制技术来减小损耗,可以通过选择高质量的二极管来减小损耗。对于变压器二次侧的整流可以选择效率更高的同步整流技术来减小损耗。对于高频磁性材料引起的损耗,要尽量避免趋肤效应,对于趋肤效应造成的影响,可采用多股细漆包线并绕的办法来解决。

5.2.2 开关电源的散热设计
MOS管导通时有一定的压降,也即器件有一定的损耗,它将引起芯片的温升,但是器件的发热情况与其耐热能力和散热条件有关。由此,器件功耗有一定的容限。其值按热欧姆定律可表示为:

PD="Tj-Tc/RT"

式中,Tj 是额定结温(Tj=150℃),Tc是壳温,RT是结到管壳间的稳态热阻,Tj代表器件的耐热能力,Tc和 RT代表器件的散热条件,而PD就是器件的发热情况。它必须在器件的耐热能力和散热条件之间取得平衡。

散热有三种基本方式:热传导、热辐射、热对流。根据散热的方式,可以选自然散热:加装散热器;或选择强制风冷:加装风扇。加装散热器主要利用热传导和热对流,即所有发热元器件均先固定在散热器上,热量通过传导方式传递给散热器,散热器上的热量再通过能流换热的方式由空气传递热量,进行散热。

5.2.3  电源的散热仿真
散热仿真是开发电源产品以及提供产品材料指南一个重要的组成部分。优化模块外形尺寸是终端设备设计的发展趋势,这就带来了从金属散热片向 PCB 覆铜层散热管理转换的问题。当今的一些模块均使用较低的开关频率,用于开关模式电源和大型无源组件。对于驱动内部电路的电压转换和静态电流而言,线性稳压器的效率较低。

随着功能越来越丰富,性能越来越高,设备设计也变得日益紧凑,这时 IC 级和系统级的散热仿真就显得非常重要了。

一些应用的工作环境温度为 70 到 125℃,并且一些裸片尺寸车载应用的温度甚至高达 140℃,就这些应用而言,系统的不间断运行非常重要。进行电子设计优化时,上述两类应用的瞬态和静态最坏情况下的精确散热分析正变得日益重要。

散热管理
散热管理的难点在于要在获得更高散热性能、更高工作环境温度以及更低覆铜散热层预算的同时,缩小封装尺寸。高封装效率将导致产生热量组件较高的集中度,从而带来在 IC 级和封装级极高的热通量。

系统中需要考虑的因素包括可能会影响分析器件温度、系统空间和气流设计/限制条件等其他一些印刷电路板功率器件。散热管理要考虑的三个层面分别为:封装、电路板和系统(请参见图 1)。


图 1 IC 封装中典型的热传递路径



低成本、小外形尺寸、模块集成和封装可靠性是选择封装时需要考虑的几个方面。由于成本成为关键的考虑因素,因此基于引线框架的散热增强封装正日益受到人们的青睐。这种封装包括内嵌散热片或裸露焊盘和均热片型封装,设计旨在提高散热性能。在一些表面贴装封装中,一些专用引线框架在封装的每一面均熔接几条引线,以起到均热器的作用。这种方法为裸片焊盘的热传递提供了较好的散热路径。
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