高可靠性与超宽环境温度的混合集成DC/DC变换器的设计

）制造出能够在125℃ 环境温度下长期稳定、可靠工作的DC/DC电源。而电源产品不可避免地要消耗能量使自身发热。一般来说，如果电源具有输出功率在1～2W之间，且多路输出（双路以上），并且要求输出隔离等特点，则此类电源的最高效率仅为65％左右，即就是说要有近一半的能量消耗在电源自身，使电源发热。

元器件实际工作中的负荷率与失效率之间存在着直接的关系。因而，元器件的类型，数值确定以后，应从可靠性的角度来选择元器件必须满足的额定值，如元器件的额定功率、额定电压、额定电流等。

22环境温度及负荷率对可靠性的影响

从以下的资料可以看到，元器件的环境温度和使用负荷对于可靠性的影响是如何巨大。

1）半导体器件（含各种集成电路和二极管、三极管）

例如硅三极管以PD/PR=0.5使用负荷设计（PD：使用功率，PR：额定功率），则环境温度对可靠性的影响，如表2所列。

表2环境温度对半器件可靠性的影响环境温度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10－9h]500250015000
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。

环境温度Ta=50℃，PD/PR对失效率的影响如表3所列。

表3PD/PR对硅半导体器件失效率的影响PD/PR00.20.30.40.50.60.70.8
失效率λ[1/10－9h]3050150700250070002000070000
由表3可知，当PD/Pn=0.8时，失效率比0.2时增加了1000倍以上。

为了提高产品的可靠性，抵消由于＋125℃高温环境所引起的失效率的增加，此类特种电源的硅半导体器件和FET器件的使用负荷设定小于0.1。

2）电容器（以固体钽电容器为例）

以UD/UR=0.6设计（UD：使用电压，UR：额定电压），则环境温度对可靠性的影响如表 4所列。

图1元器件失效率的盆底曲线

表4环境温度对电容器可靠性的影响环境温度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10－9h]52570
由表4可知，当环境温度Ta[℃]从20℃增加到80℃时，失效率增加了14倍。

英国曾发表电容器失效率λ正比于工作电压的5次方的资料，称为“五次定律”，即λ ∝U5。

当U=UR/2，

λ=λR/25=λR/32(λR为额定失效率)

即电容器工作电压降低到额定值的50％时，失效率可以减小32倍之多。

3）碳膜电阻器

以PD/PR=0.5设计，则环境温度对可靠性的影响如表5所列。

表5环境温度对碳膜电阻器可靠性的影响环境温度Ta[℃]205080
失效率λ[1/109h]124
由表5可知，当环境温度Ta[℃]从20℃增加到80℃时，失效率增加了4倍。

碳膜电阻器使用于军品的数据如表6所列。

表6PD/PR对碳膜电阻器失效率的影响PD/PR00.20.40.60.81.0
失效率λ[1/109h]0.250.51.22.54.07.0
由表6可知，当PD/PR=0.8时，失效率比PD/PR=0.2时增加了8倍。

23失效率曲线

元器件失效率的盆底曲线如图1所示。

失效率λ与工作时间的关系为

1）早期失效期

λ高但迅速下降，差的元器件在短期工作后失效，可用筛选老化来淘汰早期失效的元器件。

2）有效工作期

λ低而固定，元器件因多种不同原因而失效。

3）寿命结束期

λ高而迅速上升，大部分元器件因损耗而失效。

24经验数据

实际使用中的经验数据为

——半导体元器件负荷率应在0.3左右；而此电源使用负荷设定小于0.2。

——电容器负荷率（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；而此电源使用负荷设定小于0.5，并且尽量使用无极性电容器。

——电阻器、电位器、负荷率≤0.5。而此电源使用厚膜烧结电阻，可靠性将更高。

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。不得已时，通常也应 ≤0.5。

25可靠性设计原则

综上所述，我们可以得出设计此特种电源的可靠性设计原则。

首先将此电源视为一个复杂的电子系统工程，视为由几个子单元组成的较大电子系统。提高它的可靠性主要从下几方面（其重要性依次递减）入手。

1）对于关键元器件，采用并联方式，保证此单元有足够的冗余度

如图2所示的R1、R6；C9、C11。

2）原则上要尽一切可能减少元器件使用数目经过多次试验验证R11、C8、D6完全可以去掉。

3）在同等体积下尽量采用高额度的元器件例如T1、V1、L1、L2、L3。

4）选用高质量等级的元器件IC1、IC2、DZ1选用特军级。

5）原则上不选用电解质电容尽量选用无极性

介质电容。例如：C2、C5、C6、C7。

6）没有接线或连接器采用厚膜混合技术。

7）品质检查（进行老化、在线验测，执行ISO9000系列标准）进厂后还要经过严格的老化、筛选。

上述七个方面便是此电源选用元器件的原则。

3电源工作方式与关键元器件的选择

31电源工作方式的选择