标题:
开关电源的可靠性设计研究
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作者:
520503
时间:
2012-3-11 10:53
标题:
开关电源的可靠性设计研究
开关电源的可靠性设计研究
引言
电子产品的质量是技术性和可靠性两
的综合。电源
一个电子系统中重要的部件,其可靠性决定了整个系统的可靠性,开关电源
体积小,效率高而在各个领域得到广泛应用,如何提高它的可靠性是电力电子技术的一个重要
.
1 开关电源电气可靠性工程设计技术
1.1 供电方式的选择
供电方式
分为:集中式供电系统和分布式供电。现代电力电子系统
采用采用分布式供电系统,以满足高可靠性设备的要求。
1.2 电路拓扑的选择
开关电源
采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。其中双管正激式、双正激式和半桥电路的开关管承压仅为输入电源电压,60%降额时选用600 V的开关管比较
,而且不会出现单向偏磁饱和的问题,这三种拓扑在高压输入电路中得到广泛的应用。
1 .3 功率因数校正技术
开关电源的谐波电流污染电网,干扰了
共网设备,还
会使采用三相四线制的中线电流过大,引发事故,
途径之一是采用具有功率因素校正技术的开关电源。
1.4 控制策略的选择
在中小功率的电源中,电流型PWM控制是大量采用的方法,在 DC-DC变换器中输出纹波可以控制在10 mV,优于电压型控制的常规电源。
硬开关技术因开关损耗的限制,开关频率
在350 kHz以下;软开关技术是使开关器件在零电压或零电流
下开关,实现开关损耗为零,从而可将开关频率提高到兆赫级水平,此技术主要应用于大功率系统,小功率系统中较少见。
1.5 元器件的选用
元器件直接决定了电源的可靠性,
元器件的选用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四点:制造质量问题、器件可靠性的问题、设计问题、损耗问题。在使用中应对此予以足够重视。
1.6 保护电路
为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作,应在设计时加入多种保护电路,如防浪涌冲击、过欠压、过载、短路、过热等保护电路。
2 电磁兼容性(EMC)设计技术
开关电源多采用脉冲宽度调制(PWM)技术,脉冲波形呈矩形,其上升沿与下降 沿包含大量的谐波成分,
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,这使得系统具有电磁兼容性成为重要问题。
如图1
,产生电磁干扰有三个必要条件:干扰源、传输介质、敏感接收单元,EMC设计
破坏这三个条件中的一个。
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
滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等技术。
3 电源设备可靠性热设计技术
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,温度是影响设备可靠性最重要的因素。这就
在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升,这
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、同步整流技术等技术,
选用低功耗的器件,减少发热器件的数目,加大粗印制线的宽度,提高电源的效率。二是加强散热,即
传导、辐射、对流技术将热量转移,这
散热器设计、风冷(自然对流和强迫风冷)设计、液冷(水、油)设计、热电致冷设计、热管设计等。
强迫风冷的散热量比自然冷却大十倍
,但是要
风机、风机电源、联锁装置等,在设计中要根据
选取散热方式。
4 安全性设计技术
对于电源而言,安全性历来被确定为最重要的性能,不安全的产品不但不能完成规定的功能,而且还有
发生严重事故,甚至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,
进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容
防止电危险、过热危险。
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0.5~5mA
,我国用军标准GJB1412规定的泄漏电流小于5 mA。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器的Y电容的容量,如图二
。从EMI滤波器角度出发Y电容的容量越大越好,但从安全性角度出发Y电容的容量越小越好,Y电容的容量根据安全标准来决定。根据GJB151A,50 Hz设备小于0.1 μF,400Hz设备小于0.02 μF。若X电容器的安全性能欠佳,电网瞬态尖峰出现时
被击穿,它的击穿不危及人身安全,但会使滤波器丧失滤波功能。
5 三防设计技术
三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。凡应用我国长江以南、沿海地区以及军用电源均应进行三防设计。
电子设备的表面在潮湿的海洋大气中会吸附一层很薄的湿水层,即水膜,但水膜达到20~30分子层厚时,就形成化学腐蚀所
的电解质膜,这种富含盐分的电解质对裸露的金属表面具有很强的腐蚀活性。
温度突变,在空气中产生露点,会使印制线间绝缘电阻下降、元器件发霉,产生铜绿、引脚被腐蚀断裂等
。
湿热环境为霉菌的滋生提供了有利条件。霉菌以电子设备中的有机物为养料,吸附水分并分泌有机酸,破坏绝缘,引发短路,加速金属腐蚀。
在工程上,可以选用耐蚀材料,再通过镀、涂或化学
即通过对电子设备及零部件的表现覆盖一屋金属或非金属保护膜,使之与周围介质隔离,从而达到防护的目的。在结构上采用密封或半密封形式来隔绝外部不利环境。对印制板及组件表现涂覆专用三防清漆可以有效避免导线
的电晕、击穿,提高电源的可靠性。变压器应进行浸漆,端封,以防潮气进入引发短路事故。
三防设计与电磁屏蔽往往是矛盾的。
三防设计优异就具有
的电气绝缘性,而电气绝缘的外壳就没有好的屏蔽效果,这两
需综合考虑。在整机设计中,应充分考虑屏蔽与接地要求,采取合理的工艺,保证有电接触的表面长期导通。
6 抗振性设计技术
振动也是造成电源故障的一个重要原因。在振动试验中常发生钽电容和铝电解电容器引线被振断
,这些就要求加固设计。
可以用硅胶固定钽电容,给高度超过25cm和直径超过12cm的铝电解电容器加装固定夹,给印制板加装肋条。
7 结束语
建议只是适用于工业品和军品电源,对于商业级产品可以在某些
作出不同的选择。总之电源设备可靠性的高低,不仅跟电气设计,而且跟装配、工艺、结构设计、加工质量等各
有关。可靠性是以设计为基础,在
工程应用上,还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计,进一步提高电源的可靠性。
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