高品质开关电源的可靠性设计技巧

　　电子产品的质量是技术性和可靠性两方面的综合。电源作为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，开关电源由于体积小，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方面。

　　 开关电源电气可靠性工程设计技术

　　1.1 供电方式的选择

　　供电方式一般分为：集中式供电系统和分布式供电。现代电力电子系统一般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

　　开关电源一般采用单端正激式、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600V的开关管比较容易，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，干扰了其它共网设备，还可能会使采用三相四线制的中线电流过大，引发事故，解决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10mV，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，开关频率一般在350 kHz以下；软开关技术是使开关器件在零电压或零电流状态下开关，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

　　因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以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，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，这使得系统具有电磁兼容性成为重要问题。

　　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、敏感接收单元，EMC设计就是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、同步整流技术等技术，另外就是选用低功耗的器件，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，即利用传导、辐射、对流技术将热量转移，这包括散热器设计、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以上，但是要增加风机、风机电源、联锁装置等，在设计中要根据实际情况选取散热方式。

　　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，而且还有可能发生严重事故，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，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容包括防止电危险、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之间，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，如图二所示。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0.1μF，400Hz设备小于0.02μF。若X电容器的安全性能欠佳，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。

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