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设计一款可靠的开关电源的解决方案(1)

设计一款可靠的开关电源的解决方案(1)

1 引言
开关电源是各种系统的核心部分。开关电源的需求越来越大,同时对可靠性提出了越来越高的要求。涉及系统可靠性的因素很多。目前,人们认识上的主要误区是把可靠性完全(或基本上)归结于元器件的可靠性和制造装配的工艺,忽略了系统设计和环境温度对可靠性的决定性的作用。据美国海军电子实验室的统计,整机出现故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。

在民用电子产品领域,日本的统计资料表明,可靠性问题80%源于设计方面(日本把元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率等部分也归入设计上的原因)。以上两方面的数据表明,设计及元器件(元器件的选型,质量级别的确定,元器件的负荷率)的原因造成的故障,在开关电源故障原因中占80%左右。减少这两方面造成的开关电源故障,具有重要的意义。总之,对系统的设计者而言,需要明确建立“可靠性”这个重要概念,把系统的可靠性作为重要的技术指标,认真对待开关电源可靠性的设计工作,并采取足够的措施提高开关电源的可靠性,才能使系统和产品达到稳定、可靠的目标。本文就从这两个方面来研究与阐述。



2 系统可靠性的定义及指标
国际上,通用的可靠性定义为:在规定条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力。此定义适用于一个系统,也适用于一台设备或一个单元。描述这种随机事件的概率可用来作为表征开关电源可靠性的特征量和特征函数。从而,引出可靠度[R(t)]的定义:系统在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的概率。

如系统在开始 (t=0)时有n0个元件在工作,而在时间为t时仍有n个元件在正常工作,



可靠性   R(t)=n/n0  0≤R(t) ≤1

失效率   λ(t)= - dinR(t)/dt

λ定义为该种产品在单位时间内的故障数,即λ=dn/dt。

如失效率λ为常数,则

dn/dt=-λt

n=n0e-λt

R(t)=e-λt0     <t<工作寿命<t<工作寿命< p=""></t<工作寿命<t<工作寿命<>

MTBF(平均无故障时间)=1/λ

平均无故障时间(MTBF)是开关电源的一个重要指标,用来衡量开关电源的可靠性。

3 影响开关电源可靠性的因素
从各研究机构研究成果可以看出,环境温度和负荷率对可靠性影响很大,这两个方面对开关电源的影响很大,下面将从这两方面分析,如何设计出高可靠的开关电源。其中:PD为使用功率;PR为额定功率主。UD为使用电压;UR为额定电压。

3.1 环境温度对元器件的影响
3.1.1 环境温度对半导体IC的影响

硅三极管以PD/PR=0.5使用负荷设计,则环温度对可靠性的影响,如表2所示。



由表2可知,当环境温度Ta从20℃增加到80℃时,失效率增加了30倍。

3.1.2 环境温度对电容器的影响
以UD/UR=0.65使用负荷设计 则环境温度对可靠性的影响如表3所示。



从表3可知,当环境温度Ta从20℃增加到80℃时,失效率增加了14倍。

3.1.3 环境温度对电阻器的影响
以PD/PR=0.5使用负荷设计,则环境温度对可靠性的影响如表4所示。



从表4可知,当环境温度Ta从20℃增加到80℃时,失效率增加了4倍。

3.2 负荷率对元器件的影响
3.2.1 负荷率对半导体IC的影响   
当环境温度为50℃时,PD/PR对失效率的影响如表5所示。



由表5可知,当PD/PR=0.8时,失效率比0.2时增加了1000倍。

3.2.2 负荷率对电阻的影响
负荷率对电阻的影响如表6所示。



从表6可以看出,当PD/PR=0.8时,失效率比PD/PR=0.2时增加了8倍。

4 可靠性设计的原则
我们可以从上面的分析中得出开关电源的可靠性设计原则。

4.1可靠性设计指标应包含定量的可靠性要求。

4.2可靠性设计与器件的功能设计相结合,在满足器件性能指标的基础上,尽量提高器件的可靠性水平。

4.3应针对器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相应制约因素进行综合平衡设计。

4.4在可靠性设计中尽可能采用国、内外成熟的新技术、新结构、新工艺和新原理。

4.5对于关键性元器件,采用并联方式,保证此单元有足够的冗佘度。

4.6 原则上要尽一切可能减少元器件使用数目。

4.7在同等体积下尽量采用高额度的元器件。

4.8 选用高质量等级的元器件。

4.9 原则上不选用电解电容。

4.10 对电源进行合理的热设计,控制环境温度,不致温度过高,导致元器件失效率增加。

4.11 尽量选用硅半导体器件,少用或不用锗半导体器件。

4.12 应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件,禁止选用塑料封装的器件。
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