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。

如圖1所示，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)
、tongbuzhengliujishudengjishu，lingwaijiushixuanyongdigonghaodeqijian，jianshaofareqijiandeshumu
，jiadacuyinzhixiandekuandu，tigaodianyuandexiaolv。ershijiaqiangsanre，jiliyongchuandao、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

duiyudianyuaneryan，anquanxinglilaibeiquedingweizuizhongyaodexingneng，buanquandechanpinbudanbunengwanchengguidingdegongneng

，erqiehaiyoukenengfashengyanzhongshigu
，shenzhizaochengjihuirenwangdejudasunshi。weibaozhengchanpinjuyouxiangdanggaodeanquanxing
，bixujinxinganquanxingsheji。dianyuanchanpinanquanxingshejideneirongbaokuofangzhidianweixian、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dian，會hui使shi印yin製zhi線xian間jian絕jue緣yuan電dian阻zu下xia降jiang、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、塗(tu)或(huo)化(hua)學(xue)處(chu)理(li)即(ji)通(tong)過(guo)對(dui)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)及(ji)零(ling)部(bu)件(jian)的(de)表(biao)現(xian)覆(fu)蓋(gai)一(yi)屋(wu)金(jin)屬(shu)或(huo)非(fei)金(jin)屬(shu)保(bao)護(hu)膜(mo)，使(shi)之(zhi)與(yu)周(zhou)圍(wei)介(jie)質(zhi)隔(ge)離(li)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)防(fang)護(hu)的(de)目(mu)的(de)。在(zai)結(jie)構(gou)上(shang)采(cai)用(yong)密(mi)封(feng)或(huo)半(ban)密(mi)封(feng)形(xing)式(shi)來(lai)隔(ge)絕(jue)外(wai)部(bu)不(bu)利(li)環(huan)境(jing)。對(dui)印(yin)製(zhi)板(ban)及(ji)組(zu)件(jian)表(biao)現(xian)塗(tu)覆(fu)專(zhuan)用(yong)三(san)防(fang)清(qing)漆(qi)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)避(bi)免(mian)導(dao)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)暈(yun)、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(guo)25cm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、jiagongzhiliangdenggefangmianyouguan。kekaoxingshiyishejiweijichu
，zaishijigongchengyingyongshang
，haiyingtongguogezhongshiyanqudefankuishujulaiwanshansheji，jinyibutigaodianyuandekekaoxing。