一．开关电源的电路组成

开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI（电磁干扰Electro-Magnetic ）

二．开关电源的可靠性

1.引言

开关电源是各种系统的核心部分。开关电源的需求越来越大， 同时对可靠性提出了越来越高的要求。涉及系统可靠性的因素很多。目前，人们认识上的主要误区是把可靠性完全 或基本上归结于元器件的可靠性和制造装配的工艺，忽略了系统设计和环境温度对可靠性的决定性的作用。

在民用电子产品领域，日本的统计资料表明：可靠性问题 80%源于设计方面（日本把元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率等部分也归入设计上的原因）。数据表明，设计及元器件（元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率）的原因造成的故障，在开关电源故障原因中占80%左右。减少这两方面造成的开关电源故障具有重要的意义。总之，对系统的设计者而言，需要明确建立“可靠性”这个重要概念，把系统的可靠性作为重要的技术指标，认真对待开关电源可靠性的设计工作，并采取足够的措施提高开关电源的可靠性，才能使系统和产品达到稳定、可靠的目标。

2.影响开关电源可靠性的因素

从各研究机构研究成果可以看出, 环境温度和负荷率对可靠性影响很大, 这两个方面对 开关电源的影响很大,下面将从这两方面分析,如何设计出高可靠的开关电源.

4可靠性设计的原则 我们可以从上面的分析中得出开关电源的可靠性设计原则.

4.1 可靠性设计指标应包含定量的可靠性要求.

4.2 可靠性设计与器件的功能设计相结合,在满足器件性能指标的基础上,尽量提高器 件的可靠性水平.

4.3 应针对器件的性能水平,可靠性水平,制造成本,研制周期等相应制约因素进行综 合平衡设计.

4.4 在可靠性设计中尽可能采用国,内外成熟的新技术,新结构,新工艺和新原理. 4.5 对于关键性元器件,采用并联方式,保证此单元有足够的冗佘度. 4.6 原则上要尽一切可能减少元器件使用数目.

4.7 在同等体积下尽量采用高额度的元器件. 4.8 选用高质量等级的元器件. 4.9 原则上

不选用电解电容. 4.10 对电源进行合理的热设计,控制环境温度,不致温度过高,导致元器件失效率增 加. 4.11 尽量选用硅半导体器件,少用或不用锗半导体器件. 4.12 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.

可靠性设计

负荷率的设计 由于负荷率对可靠性有重大影响, 故可靠性设计重要的一个方面是负荷率的设计, 跟据 元器件的特性及实践经验, 元器件的负荷率在下列数值时, 电源系统的可靠性及成本是较优 的. 半导体元器件 半导体元器件的电压降额应在 0.6 以下,电流降额系数应在 0.5 以下.半导体元器件除 负荷率外还有容差设计,设计开关电源时,应适当放宽半导体元器件的参数允许变化范围, 包括制造容差,温度漂移,时间漂移,辐射导致的漂移等.以保证半导体元器件的参数在一 定范围内变化时,开关电源仍能正常工作. 电容器 电容器的负荷率(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,并 且尽量使用无极性电容器.而且,在高频应用的情况下,电压降额幅度应进一步加大,对电 解电容器更应如此.应特别注意,电容器有低压失效的问题,对于普通铝电解电容器和无极 性电容的电压降额不低于 0.3,但钽电容的电压降额应在 0.3 以下.电压降额不能太多,否 则电容器的失效率将上升. 电阻器,电位器 电阻器,电位器的负荷率要小于 0.5,此为电阻器设计的上限值;但是大量试验证明,当 电阻器降额数低于 0.1 时,将得不到预期的效果,失效率有所增加,电阻降额系数以 0.1 为 可靠性降额设计的下限值. 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 左右.最好不要超过 0.5. 这样的负荷率,对电源系统造成不可靠的机率是非常小的. 电源的热设计 开关电源内部过高的温升将会导致温度敏感的半导体器件,电解电容等元器件的失效. 当温度超过一定值时,失效率呈指数规律增加.有统计资料表明,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.除了电应力之外,温度 是影响开关电源可靠性的最重要的因素. 高频开关电源有大功率发热器件, 温度更是影响其 可靠性的最重要的因素之一,完整的热设计包括两个方面:一 如何控制发热源的发热量; 二 如何将热源产生的热量散出去.使开关电源的温升控制在允许的范围之内,以保证开关 电源的可靠性.下面将从这两个方面论述. 控制发热量的设计 开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管, 功率二极管, 高频变压器, 滤波电感等.

不同器件有不同的控制发热量的方法. 功率管是高频开关电源中发热量较大的器件之一, 减 小它的发热量,不仅可以提高功率管的可靠性,而且可以提高开关电源的可靠性,提高平均 无故障时间(MTBF) .开关管的发热量是由损耗引起的,开关管的损耗由开关过程损耗和 通态损耗两部分组成, 减小通态损耗可以通过选用低通态电阻的开关管来减小通态损耗; 开 关过程损耗是由于栅电荷大小及开关时间引起的,减小开关过程损耗可以选择开关速度更 快, 恢复时间更短的器件来减少. 但更为重要的是通过设计更优的控制方式和缓冲技术来减 小损耗,如采用软开关技术,可以大大减小这种损耗.减小功率二极管的发热量,对交流整 流及缓冲二极管, 一般情况下不会有更好的控制技术来减小损耗, 可以通过选择高质量的二 极管来减小损耗.对于变压器二次侧的整流可以选择效率更高的同步整流技术来减小损耗. 对于高频磁性材料引起的损耗,要尽量避免趋肤效应,对于趋肤效应造成的影响,可采用多 股细漆包线并绕的办法来解决. 开关电源的散热设计 MOS 管导通时有一定的压降,也即器件有一定的损耗,它将引起芯片的温升,但是器 件的发热情况与其耐热能力和散热条件有关.由此,器件功耗有一定的容限.其值按热欧姆 定律可表示为: PD=Tj-Tc/RT 式中,Tj 是额定结温(Tj=150℃) ,Tc 是壳温,RT 是结到管壳间的稳态热阻,Tj 代表 器件的耐热能力,Tc 和 RT 代表器件的散热条件,而 PD 就是器件的发热情况.它必须在器 件的耐热能力和散热条件之间取得平衡. 散热有三种基本方式:热传导,热辐射,热对流.根据散热的方式,可以选自然散热: 加装散热器;或选择强制风冷:加装风扇.加装散热器主要利用热传导和热对流,即所有发 热元器件均先固定在散热器上, 热量通过传导方式传递给散热器, 散热器

上的热量再通过能 流换热的方式由空气带出机箱. 实际的散热情况为三种传热方式的综合, 可以用牛顿公式来 统一表达: =KSг,其中 S 为散热表面积,K 为表面散热系数.表面散热系数通常由试 验确定,在一般的工程流体力学中有数据可查.它把传热的三种形式全部统一起来了. 通过 =KSг,我们可以在计算出耗散功率以后,根据允许的温升г来确定散热表面积 S,并由此而确定所要选择的散热器.这种计算对于提高开关电源的可靠性,功率密度,性 价比等都有重要意义.若采用强制风冷,加装风扇,则对整流模块来说,风扇的 MTBF 是 所有元器件中最低的,一直都是制约整流模块提高 MTBF 的瓶颈,所以采取各种措施提高 散热效率来延长风扇寿命具有重要的意义.

结 语 本文简要阐述了负荷率及温度对开关电源可靠性的影响, 大量实验证明了开关电源的负 荷率设计是否合理对开关电源的可靠性有重要影响, 最后分析了开关电源发热和散热两方面 的情况, 优先采用降低发热的各种技术, 同时提高散热效果, 许多厂家都采用这种设计思想, 取得了很好的效果.电源设备可靠性的高低,不仅与电气设计,而且同器件,结构,装配, 工艺等方面有关.本文主要从元器件的负荷率及温度对开关电源可靠性的影响进行了阐述,为从事开关电源设计的技术人员提供一些借鉴的设计方法.

开关电源可靠性的设计原则如下

发布:2011-09-07 | 作者: | 来源: liaozhihua | 查看:400次 | 用户关注：

（1）可靠性的设计指标应包含定量的可靠性要求。（2）可靠性设计应与器件的功能设计相结合，在满足器件性能指标的基础上，尽量提高器件的可靠性水平。（3）应针对器件的性能水平、可靠性水平、制造水平、研制周期等相应的制约因素进行综合平衡设计。｜（4）在可靠性设计中，应尽可能采用国内外成熟的新技术、新结构、新工艺和新原理。（5）对于关键性的元器件，采用并联方式，保证此单元有足够的冗余度。（6）原则上要尽可能减少元

（1）可靠性的设计指标应包含定量的可靠性要求。

（2）可靠性设计应与器件的功能设计相结合，在满足器件性能指标的基础上，尽量提高器件的可靠性水 平。

（3）应针对器件的性能水平、可靠性水平、制造水平、研制周期等相应的制约因素进行综合平衡设计。 ｜

（4）在可靠性设计中，应尽可能采用国内外成熟的新技术、新结构、新工艺和新原理。

（5）对于关键性的元器件，采用并联方式，保证此单元有足够的冗余度。

（6）原则上要尽可能减少元器件的使用数目。

（7）在同等体积下应尽可能采用高额定度的元器件。

（8）选用高质量等级的元器件。

（9）原则上不采用或尽量少采用电解电容。

（10）对电源进行合理的热设计，控制环境温度，不致因温度过高导致元器件的失效率增加。

（11）应尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。

（12）应采用金属封装、陶磁封装、玻璃封装的器件，禁止选用塑料封装的 开关电源可靠性的设计原则如下

文章出处： 发布时间： 2008/10/10 | 339 次阅读 | 0次推荐 | 0条留言

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（1）可靠性的设计指标应包含定量的可靠性要求。

（2）可靠性设计应与器件的功能设计相结合，在满足器件性能指标的基础上，尽量提高器件的可靠性水 平。

（3）应针对器件的性能水平、可靠性水平、制造水平、研制周期等相应的制约因素进行综合平衡设计。 ｜

（4）在可靠性设计中，应尽可能采用国内外成熟的新技术、新结构、新工艺和新原理。

（5）对于关键性的元器件，采用并联方式，保证此单元有足够的冗余度。

（6）原则上要尽可能减少元器件的使用数目。

（7）在同等体积下应尽可能采用高额定度的元器件。

（8）选用高质量等级的元器件。

（9）原则上不采用或尽量少采用电解电容。

（10）对电源进行合理的热设计，控制环境温度，不致因温度过高导致元器件的失效率增加。

（11）应尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。

（12）应采用金属封装、陶磁封装、玻璃封装的器件，禁止选用塑料封装的器件。 欢迎转载，信息来源维库市场网（)

开关电源模块及其电气可靠性的设计原则

开关电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器,其特点是可为专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电.一般来说,这类模块称为负载点 (POL) 电源供应系统或使用点电源供应系统 (PUPS).由于模块式结构的优点甚多,因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等.

尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广,模块电源的增幅已经超出了一次电源.随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用,模块电源功率密度越来越大,转换效率越来越高,应用也越来越简单

1 电子产品,特别是军用稳压电源的设计是一个系统工程,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、热设计、安全性设计、三防设计等方面.因为任何方面那 怕是最微小的疏忽,都可能导致整个电源的崩溃,所以我们应充分认识到电源产品可靠 性设计 的重要性.

2 开关电源电气可靠性设计

2.1 供电方式的选择 集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供电质 量,而且应用单台电源供电,当电源发生故障时可能导致系统瘫痪.分布式供电系统因供电单 元靠近负载,改善了动态响应特性,供电质量好,传输损耗小,效率高,节约能源,可靠性高, 容易组成N+1冗余供电系统,扩展功率也相对比较容易.所以采用分布式供电系统可以满足高 可靠性设备的要求.

2.2 电路拓扑的选择 开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推 挽式、半桥、全桥等八种拓扑.单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的 承压在两倍输入电压以上,如果按60%降额使用,则使开关管不易选型.在推挽和全桥拓扑中 可能出现单向偏磁饱和,使开关管损坏,而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力,所以就不会 出现这个问题.双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压,即使按60%降 额使用,选用开关管也比较容易.在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑.

2.3 控制策略的选择 在中小功率的电源中,电流型PWM控制是大量采用的方法,它较电

压控制型有如下优点: 逐周期电流限制,比电压型控制更快,不会因过流而使开关管损坏,大大减小过载与短路的保 护;优良的电网电压调整率;迅捷的瞬态响应;环路稳定,易补偿;纹波比电压控制型小得多. 生产实践表明电流控制型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右,远优于电压控制型.硬开关 技术因开关损耗的限制,开关频率一般在350kHz以下,软开关技术是应用谐振原理,使开关器 件在零电压或零电流状态下通断,实现开关损耗为零,从而可将开关频率提高到兆 赫级水平,这种应用软开关技术的变换器综合了PWM变换器和谐振变换器两者的优点,接近理 想的特性,如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围,但 是此项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.

2.4 元器件的选用 因为元器件直接决定了电源的可靠性,所以元器件的选用非常重要.元器件的失效主要集 中在以下四个方面:

(1)制造质量问题 质量问题造成的失效与工作应力无关.质量不合格的可以通过严格的检验加以剔除,在工 程应用时应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)元器件可靠性问题 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.在一定的应力水平下,元器件的失效率会大大下降.为 剔除不符合使用要求的元器件,包括电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、稳定性差、 早期失效等,应进行筛选试验,这是一种非破坏性试验.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,但综合维修、后勤保障、整架联试等还是合 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)设计问题 首先是恰当地选用合适的元器件:

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.

在潮湿和盐雾环境下,铝电解电容会发生外壳腐蚀、容量漂移、漏电流增大等情况,所以 在舰船和潮湿环境,最好不要用铝电解电容.

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.

关于降额设计: 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).除个别低应力失效的元器件外,其它均表现为工作应力越高,失效率越高的特性.为 了使元器件的失效率降低,所以在电路设计时要进行降额设计.

降额程度,除可靠性外还需考 虑体积、重量、成本等因素.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

只有掌握好了以上设计原则 才能更好的保证开关电源模块的可靠性。

开关电源模块及其电气可靠性的设计原则