军用开关电源可靠性设计研究
3 电磁兼容性 (EMC) 设计
开关电源因采用脉冲宽度调制 (PWM) 技术，其脉冲波形呈矩形，上升沿与下降沿均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，因而使电磁兼容性成为系统的重要问题。
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、敏感的接收单元， EMC 设计就是破坏这三个条件中的一个。
图 1 形成电磁干扰的三个条件:
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。 EMI 按传播途径分为传导干扰和辐射干扰。传导噪声的频率范围很宽，从 10kHz ～ 30MHz ，我们虽然知道产生干扰的原因，但从效率上来讲，通过控制脉冲波形的上升与下降时间来解决未必是一个好办法，解决办法之一是加装电源 EMI 滤波器、输出滤波器及吸收电路，参见图 2 。
电源 EMI 滤波器实际上是一种低通滤波器，它毫无衰减地把 50Hz 或 400Hz 交流电能传递给电子设备，却大大衰减传入的干扰信号，同时又能抑制设备本身产生的干扰信号，防止它窜入电网，危害公网其它设备。选择 EMI 滤波器是根据插入损耗的大小来选择滤波器网络结构和元器件参数，根据实际要求选择额定电压、额定电流、漏电流、绝缘电阻、温度条件等参数。电源 EMI 滤波器最好安装在机壳电源线进口的插座附近。抑制输出噪声的对策基本上按 10kHz ～ 150kHz 、 150kHz ～ 10MHz 、 10MHz 以上三个频段来解决。 10kHz ～ 150kHz 范围内主要是常态噪声，一般采用通用 LC 滤波器来解决。 150kHz ～ 10MHz 范围内主要是共模成分的噪声，通常采用共模抑制滤波器来解决。共模扼流圈要采用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料，电感量在（ 1 ～ 2 ） mH 、电容量在 3300pF ～ 4700pF 之间，如果控制低频段的噪声，可以适当加大 LC 的取值。在 10MHz 以上频率段的对策是改进滤波器的外形。输出整流二极管的反向恢复也会引起电磁干扰，这种情况可以采用 RC 吸收电路来抑制电流的上升率，通常 R 在 (2 ～ 20)Ω 之间， C 在 1000pF ～ 10nF 之间， C 应选用高频瓷介电容。
良好的布局和布线技术也是控制噪声的一个重要手段。为减少噪声的发生和防止由噪声导致的误动作，应注意以下几点：
① 尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积。
② 缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管。
③ 脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源和出口分离。
④ 控制电路和功率电路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引起天线作用，所以建议不要采用大面积接地方式。
⑤ 必要时可以将输出滤波电感安置在地回路上。
⑥ 采用多只低 ESR （等效串联电阻）的电容并联滤波。
⑦ 采用铜箔进行低感低阻配线。
⑧ 相邻印制线之间不应有过长的平行线，走线尽量避免平行，采用垂直交叉方式，线宽不要突变，也不要突然拐角。禁止环形走线。
⑨ 滤波器的输入和输出线必须分开。禁止将开关电源的输入线和输出线捆扎在一起。
对于辐射干扰主要应用密封屏蔽技术，在结构上实行电磁封闭，要求外壳各部分之间具有良好的电磁接触，以保证电磁的连续性。目前为减少重量大都采用铝合金外壳，但铝合金导磁性能差，因而外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆，内壁贴覆高导磁率的屏蔽材料。外壳永久连接处用导电胶粘牢或采用连续焊缝结构，需拆卸的可以用导电橡胶条压紧来保证电磁连续性。导电材料要求导电性能高、有弹性、具有最小的宽厚比。
4 电源设备可靠性热设计
除了电应力之外，温度是影响设备可靠性最重要的因素。电源设备内部的温升将导致元器件的失效，当温度超过一定值时，失效率将呈指数规律增加，温度超过极限值时将导致元器件失效。国外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 。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，另外就是选用低功耗的器件，减少发热器件的数目，加大加粗印制线的宽度，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，这包括采用散热器、风冷 ( 自然对流和强迫风冷 ) 、液冷 ( 水、油 ) 、热电致冷、热管等方法。
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，这不仅使设备的成本和复杂性增加，而且使系统的可靠性下降，另外还增加了噪声和振动，因而在一般情况下应尽量采用自然冷却，而不采用风冷、液冷之类的冷却方式。在元器件布局时，应将发热器件安放在下风位置或在印制板的上部，散热器采用氧化发黑工艺处理，以提高辐射率，不允许用黑漆涂覆。喷涂三防漆后会影响散热效果，需要适当加大裕量。散热器安装器件的平面要求光滑平整，一般在接触面涂上硅脂以提高导热率。变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升。