1 開關電源電氣可靠性工程設計技術

 

1.1 供電方式的選擇

 

供電方式一般分為：集中式供電係統和分布式供電。現代電力電子係統一般采用采用分布式供電係統，以滿足高可靠性設備的要求。

 

1.2 電路拓撲的選擇

 

開關電源一般采用單端正激式
、單端反激式、雙管正激式

、雙單端正激式、雙正激式
、推挽式、半橋、全橋等八種拓撲。其中雙管正激式、雙正激式和半橋電路的開關管承壓僅為輸入電源電壓，60%降額時選用600V的開關管比較容易
，而且不會出現單向偏磁飽和的問題，這三種拓撲在高壓輸入電路中得到廣泛的應用。

 

1.3 功率因數校正技術

 

開kai關guan電dian源yuan的de諧xie波bo電dian流liu汙wu染ran電dian網wang，幹gan擾rao了le其qi它ta共gong網wang設she備bei，還hai可ke能neng會hui使shi采cai用yong三san相xiang四si線xian製zhi的de中zhong線xian電dian流liu過guo大da，引yin發fa事shi故gu，解jie決jue途tu徑jing之zhi一yi是shi采cai用yong具ju有you功gong率lv因yin素su校xiao正zheng技ji術shu的de開kai關guan電dian源yuan。

 

 

1.4 控製策略的選擇

 

在中小功率的電源中
，電流型PWM控製是大量采用的方法
，在DC-DC變換器中輸出紋波可以控製在10mV，優於電壓型控製的常規電源。

 

硬開關技術因開關損耗的限製，開關頻率一般在350 kHz以下
；軟ruan開kai關guan技ji術shu是shi使shi開kai關guan器qi件jian在zai零ling電dian壓ya或huo零ling電dian流liu狀zhuang態tai下xia開kai關guan，實shi現xian開kai關guan損sun耗hao為wei零ling，從cong而er可ke將jiang開kai關guan頻pin率lv提ti高gao到dao兆zhao赫he級ji水shui平ping，此ci技ji術shu主zhu要yao應ying用yong於yu大da功gong率lv係xi統tong，小xiao功gong率lv係xi統tong中zhong較jiao少shao見jian。

 

1.5 元器件的選用

 

因為元器件直接決定了電源的可靠性，所以元器件的選用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四點：製造質量問題、器件可靠性的問題、設計問題
、損耗問題。在使用中應對此予以足夠重視。

 

1.6 保護電路

 

為使電源能在各種惡劣環境下可靠地工作，應在設計時加入多種保護電路
，如防浪湧衝擊、過欠壓
、過載
、短路、過熱等保護電路。

 

2 電磁兼容性（EMC）設計技術

 

開關電源多采用脈衝寬度調製（PWM）技術
，脈衝波形呈矩形
，其上升沿與下降沿包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢複也會產生電磁幹擾（EMI），這是影響可靠性的不利因素，這使得係統具有電磁兼容性成為重要問題。

 

產生電磁幹擾有三個必要條件：幹擾源
、傳輸介質、敏感接收單元，EMC設計就是破壞這三個條件中的一個。

 

對於開關電源而言
，主要是抑製幹擾源，幹擾源集中在開關電路與輸出整流電路。采用的技術包括濾波技術、布局與布線技術

、屏蔽技術、接地技術、密封技術等技術。

 

3 電源設備可靠性熱設計技術

 

統計資料表明電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性下降10 %；溫升50 ℃時的壽命隻有溫升25 ℃時的1/6。除(chu)了(le)電(dian)應(ying)力(li)之(zhi)外(wai)，溫(wen)度(du)是(shi)影(ying)響(xiang)設(she)備(bei)可(ke)靠(kao)性(xing)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)因(yin)素(su)。這(zhe)就(jiu)需(xu)要(yao)在(zai)技(ji)術(shu)上(shang)采(cai)取(qu)措(cuo)施(shi)限(xian)製(zhi)機(ji)箱(xiang)及(ji)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)溫(wen)升(sheng)
，這(zhe)就(jiu)是(shi)熱(re)設(she)計(ji)。熱(re)設(she)計(ji)的(de)原(yuan)則(ze)，一(yi)是(shi)減(jian)少(shao)發(fa)熱(re)量(liang)
，即(ji)選(xuan)用(yong)更(geng)優(you)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)和(he)技(ji)術(shu)
，如(ru)移(yi)相(xiang)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)、同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)技(ji)術(shu)等(deng)技(ji)術(shu)，另(ling)外(wai)就(jiu)是(shi)選(xuan)用(yong)低(di)功(gong)耗(hao)的(de)器(qi)件(jian)，減(jian)少(shao)發(fa)熱(re)器(qi)件(jian)的(de)數(shu)目(mu)
，加(jia)大(da)粗(cu)印(yin)製(zhi)線(xian)的(de)寬(kuan)度(du)，提(ti)高(gao)電(dian)源(yuan)的(de)效(xiao)率(lv)。二(er)是(shi)加(jia)強(qiang)散(san)熱(re)，即(ji)利(li)用(yong)傳(chuan)導(dao)、輻射、對流技術將熱量轉移

，這包括散熱器設計

、風冷（自然對流和強迫風冷）設計、液冷（水、油）設計、熱電致冷設計、熱管設計等。

 

強迫風冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上

，但是要增加風機、風機電源、聯鎖裝置等，在設計中要根據實際情況選取散熱方式。

 

4 安全性設計技術

 

對dui於yu電dian源yuan而er言yan，安an全quan性xing曆li來lai被bei確que定ding為wei最zui重zhong要yao的de性xing能neng，不bu安an全quan的de產chan品pin不bu但dan不bu能neng完wan成cheng規gui定ding的de功gong能neng，而er且qie還hai有you可ke能neng發fa生sheng嚴yan重zhong事shi故gu
，甚shen至zhi造zao成cheng機ji毀hui人ren亡wang的de巨ju大da損sun失shi。為wei保bao證zheng產chan品pin具ju有you相xiang當dang高gao的de安an全quan性xing，必bi須xu進jin行xing安an全quan性xing設she計ji。電dian源yuan產chan品pin安an全quan性xing設she計ji的de內nei容rong包bao括kuo防fang止zhi電dian危wei險xian
、過熱危險。

 

對於商用設備市場，具有代表性的安全標準有UL
、CSA
、VDE等
，內容因用途而異，容許泄漏電流在0.5～5mA之間，我國用軍標準GJB1412規定的泄漏電流小於5 mA。電源設備對地泄漏電流的大小取決於EMI濾波器的Y電容的容量，如圖二所示。從EMI濾波器角度出發Y電容的容量越大越好
，但從安全性角度出發Y電容的容量越小越好，Y電容的容量根據安全標準來決定。根據GJB151A，50 Hz設備小於0.1μF，400Hz設備小於0.02μF。若X電容器的安全性能欠佳，電網瞬態尖峰出現時可能被擊穿，它的擊穿不危及人身安全，但會使濾波器喪失濾波功能。

 

5 三防設計技術

 

三防設計是指防潮設計

、防鹽霧設計和防黴菌設計。凡應用我國長江以南、沿海地區以及軍用電源均應進行三防設計。

 

電子設備的表麵在潮濕的海洋大氣中會吸附一層很薄的濕水層，即水膜
，但水膜達到20～30分(fen)子(zi)層(ceng)厚(hou)時(shi)
，就(jiu)形(xing)成(cheng)化(hua)學(xue)腐(fu)蝕(shi)所(suo)必(bi)須(xu)的(de)電(dian)解(jie)質(zhi)膜(mo)，這(zhe)種(zhong)富(fu)含(han)鹽(yan)分(fen)的(de)電(dian)解(jie)質(zhi)對(dui)裸(luo)露(lu)的(de)金(jin)屬(shu)表(biao)麵(mian)具(ju)有(you)很(hen)強(qiang)的(de)腐(fu)蝕(shi)活(huo)性(xing)。另(ling)外(wai)溫(wen)度(du)突(tu)變(bian)，在(zai)空(kong)氣(qi)中(zhong)產(chan)生(sheng)露(lu) 點，會使印製線間絕緣電阻下降
、元器件發黴，產生銅綠、引腳被腐蝕斷裂等情況。

 

濕shi熱re環huan境jing為wei黴mei菌jun的de滋zi生sheng提ti供gong了le有you利li條tiao件jian。黴mei菌jun以yi電dian子zi設she備bei中zhong的de有you機ji物wu為wei養yang料liao，吸xi附fu水shui分fen並bing分fen泌mi有you機ji酸suan

，破po壞huai絕jue緣yuan，引yin發fa短duan路lu，加jia速su金jin屬shu腐fu蝕shi。

 

在工程上
，可以選用耐蝕材料，再通過鍍、tuhuohuaxuechulijitongguoduidianzishebeijilingbujiandebiaoxianfugaiyiwujinshuhuofeijinshubaohumo，shizhiyuzhouweijiezhigeli
，congerdadaofanghudemude。zaijiegoushangcaiyongmifenghuobanmifengxingshilaigejuewaibubulihuanjing。duiyinzhibanjizujianbiaoxiantufuzhuanyongsanfangqingqikeyiyouxiaobimiandaoxianzhijiandedianyun、擊穿，提高電源的可靠性。變壓器應進行浸漆，端封
，以防潮氣進入引發短路事故。

 

三san防fang設she計ji與yu電dian磁ci屏ping蔽bi往wang往wang是shi矛mao盾dun的de。如ru果guo三san防fang設she計ji優you異yi就jiu具ju有you良liang好hao的de電dian氣qi絕jue緣yuan性xing，而er電dian氣qi絕jue緣yuan的de外wai殼ke就jiu沒mei有you好hao的de屏ping蔽bi效xiao果guo
，這zhe兩liang方fang麵mian需xu綜zong合he考kao慮lv。在zai整zheng機ji設she計ji中zhong
，應ying充chong分fen考kao慮lv屏ping蔽bi與yu接jie地di要yao求qiu
，采cai取qu合he理li的de工gong藝yi，保bao證zheng有you電dian接jie觸chu的de表biao麵mian長chang期qi導dao通tong。

 

6 抗振性設計技術

 

振zhen動dong也ye是shi造zao成cheng電dian源yuan故gu障zhang的de一yi個ge重zhong要yao原yuan因yin。在zai振zhen動dong試shi驗yan中zhong常chang發fa生sheng鉭tan電dian容rong和he鋁lv電dian解jie電dian容rong器qi引yin線xian被bei振zhen斷duan情qing況kuang
，這zhe些xie就jiu要yao求qiu加jia固gu設she計ji。一yi般ban可ke以yi用yong矽gui膠jiao固gu定ding鉭tan電dian容rong，給gei高gao度du超chao過guo25cm和直徑超過12cm的鋁電解電容器加裝固定夾，給印製板加裝肋條。

 

7 結束語

 

以(yi)上(shang)建(jian)議(yi)隻(zhi)是(shi)適(shi)用(yong)於(yu)工(gong)業(ye)品(pin)和(he)軍(jun)品(pin)電(dian)源(yuan)，對(dui)於(yu)商(shang)業(ye)級(ji)產(chan)品(pin)可(ke)以(yi)在(zai)某(mou)些(xie)方(fang)麵(mian)作(zuo)出(chu)不(bu)同(tong)的(de)選(xuan)擇(ze)。總(zong)之(zhi)電(dian)源(yuan)設(she)備(bei)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)高(gao)低(di)
，不(bu)僅(jin)跟(gen)電(dian)氣(qi)設(she)計(ji)，而(er)且(qie)跟(gen)裝(zhuang)配(pei)、工藝、結構設計、加(jia)工(gong)質(zhi)量(liang)等(deng)各(ge)方(fang)麵(mian)有(you)關(guan)。可(ke)靠(kao)性(xing)是(shi)以(yi)設(she)計(ji)為(wei)基(ji)礎(chu)，在(zai)實(shi)際(ji)工(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)上(shang)，還(hai)應(ying)通(tong)過(guo)各(ge)種(zhong)試(shi)驗(yan)取(qu)得(de)反(fan)饋(kui)數(shu)據(ju)來(lai)完(wan)善(shan)設(she)計(ji)

，進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)電(dian)源(yuan)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。

 

 

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