星载开关电源可靠性设计

1 引言

电子产品，特别是星载开关电源的设计是一个复杂系统工程，不但要考虑电源本身参数设计，还要考虑电气设计、电磁兼容设计、安全性设计、热设计等方面。因为任何方面哪怕是极微小的疏忽，都有可能导致整个星载电源甚至整颗卫星的崩溃，所以星载电源产品可靠性设计极关重要。

2 开关电源电气可靠性设计

2.1 电路拓扑的选择

开关电源一般采用buck型、boost型、Cuk型、双管正激型、双管反激型、单端正激型、单端反激型、推挽型、半桥型、全桥型等十种拓扑。为避免开关管承受两倍直流输入电压并考虑到降额使用，一般采用双管正激型和半桥型电路。而推挽型和全桥型拓扑虽然也承受单倍直流输入电压，但可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，故在高可靠性工程上一般选用双管正激型和半桥型电路拓扑。

2.2 控制方法的选择

电流型PWM控制较电压控制型有如下优点：自动对称校正、固有的电流限制、简单的 回路补偿、纹波比电压控制型小得多和良好的并联工作能力。 硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在400kHz以下;软开关技术利用谐振原理使开关器件在零电压开通或零电流关断，实现开关损耗为零，从而可使开关频率达到兆赫级水平。但是软开关技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以PWM技术为主。

2.3 元器件的选用

元器件直接决定了电源的可靠性，元器件的失效主要集中在以下四个方面：

(1)产品质量质量问题造成的失效与工作应力无关。在卫星工程应用时选用定点生产厂家的成熟产品，不允许使用没有经过认证的产品。

(2)元器件可靠性

元器件可靠性问题即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是元器件的失效率取决于工作应力水平。应先对元器件进行应力筛选试验，通过筛选可使元器件失效率降低1～2个数量级，当然筛选试验代价(时间与费用)很大，但综合各方面因素还是合算的，研制周期也不会延长。电源设备主要元器件的筛选试验一般要求：①电阻在室温下按技术条件进行100%测试，剔除不合格品。

②普通电容器在室温下按技术条件进行100%测试，剔除不合格品。

③接插件按技术条件抽样检测各种参数。

④半导体器件按以下程序进行筛选：目检→初测→高温贮存→高低温冲击→电功率老化→高温测试→低温测试→常温测试筛选结束后应计算剔除率Q Q=(n / N)×100%式中：N——受试样品总数;n——被剔除的样品数;如果Q超过标准规定的上限值，则本批元器件全部不准上机，并按有关规定处理。

在符合标准规定时，则将筛选合格的元器件打漆点标注，然后入专用库房供装机使用。

(3)设计(i)元器件的选用：

①尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。

②多采用集成电路，减少分立器件的数目。

③开关管选用MOSFET能简化驱动电路，减少损耗。

④输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。

⑤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。

⑥集成电路必须是一类品或者是符合MIL-M-38510、MIL-S-19500标准B-1以上质量等级的军品。

⑦设计时尽量少用继电器，确有必要时应选用接触良好的密封继电器。

⑧原则上不选用电位器，必须保留的应进行固封处理。

⑨吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。由于受空间粒子轰击时，电解质会分解，所以铝电解电容也不适用于航天电子设备的电源中。钽电解电容温度和频率特性较好，耐高低温，储存时间长，性能稳定可靠，但钽电解电容较重、容积比低、不耐反压、高压品种(>125V)较少、价格昂贵。

(ii)降额设计：

电子元器件的基本失效率取决于工作应力(包括电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等)。不同的元器件降额标准亦不同，实践表明，大部分电子元器件的基本失效率取决于电应力和温度，因而降额也主要是控制这两种应力，以下为开关电源常用元器件的降额系数：①电阻的功率降额系数在0.1～0.5之间。

②二极管的功率降额系数在0.4以下，反向耐压在0.5以下。

③发光二极管电压降额系数在0.6以下，功率降额系数在0.6以下。

④功率开关管电压降额系数在0.6以下，电流降额系数在0.5以下。

⑤普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数在0.3～0.7之间。

⑥钽电容的电压降额系数在0.3以下。

⑦电感和变压器的电流降额系数在0.6以下。

(4)损耗损耗引起的元器件失效取决于工作时间的长短，与工作应力无关