浅谈电子设备电源的耐环境应力设计
2014-08-28王璐
王璐
摘 要：主要介绍了电子设备中电源的耐环境应力设计和相应的设计措施，并指出了影响电源可靠性的环境因素有高温、低温、潮湿、温度冲击、机械应力、电磁辐射、噪声干扰、低气压、砂尘、盐雾、淋雨、霉菌和它们的复合形式。电子设备的热量主要集中在电源部分，这些热量如果不能及时散去，就会使电源内部温度过高进而引发故障。所以，电源的热设计是耐环境应力设计要重点考虑的指标之一。
关键词：电源；应力设计；热设计；密封；散热
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0018-02
由于电子设备消耗的功率过大，所以，需要在各种直流电压下工作，需要独立的电源来供给。电源的可靠性直接影响着整机系统、设备、仪器、仪表的可靠性。在进行可靠性设计时，不但应清楚电源的工作环境，还要了解影响电源可靠性的主要环境因素及其强度、频率、持续时间和各因素之间的相互关系，还应该明白电子设备的热量主要集中在电源部分，这些热量如果不能及时处理，就会使电源内部温度过高进而引发故障。所以，电源的热设计应是耐环境应力设计重点参考的指标之一。温度过高、过低都会影响电源的可靠性，热设计就是要保证电源在规定温度下完成规定的功能，从而提高电源的可靠性，同时满足用户的需求。
1 高温环境
主要影响：高温环境会使电源内的电阻、电感、电容、电功率系数和介电常数等电性能参数发生变化，使绝缘子绝缘失效。活动元件可能会因膨胀而使结构失效、表面起泡、氧化，并加速其他化学反应。润滑剂黏度降低和蒸发就会丧失润滑性。物理膨胀会增加活动部件的磨损程度，降低结构强度等。
可靠性设计措施：采用散热装置、冷却系统、隔热耐热材料进行自然冷却、强制冷却、蒸发冷却、热管冷却，或采用热传导或热辐射技术。
2 低温环境
主要影响：有些电化学类电源的低温性能不好，需要在低温环境中将其加热。由于其热值设计偏低或保温层不好，会造成电源内部温度过低，电介质导电差、内阻增大、电压低、电源容量低的失效模式，也会使电源塑料和橡胶失去柔性而变脆。有潮气时，会出现结冰现象，润滑剂会变成胶质且变黏，失去润滑性。同时，涂覆表面会龟裂，并且由于物理性收缩而使结构失效等。
可靠性设计措施：采用加热装置（电加热、化学加热、中和加热）进行隔热处理，并选用耐低温的材料等。
3 潮湿环境
主要影响：潮湿现象的表现之一是结露。结露是设备内的温度超过了饱和湿度，使水蒸气变成水，并附着在设备内部，这也成为了离子迁移的原因，同时，湿气也能渗入多孔性材料内，造成导电体之间漏电通路，产生氧气。水分子可以渗透用来封装零部件的树脂，进而扩散，直到电源内湿度变高产生故障。零部件吸潮可以增加绝缘电阻，影响其激活时间、放电时间和工作时间，另外，还可能造成正负极柱锈蚀、零部件膨胀且容易破裂，进而丧失电强度和机械强度，使其结构崩溃。但是，过度干燥也会使某些材料变脆，表面变粗糙。
可靠性设计措施：采用密封、耐潮材料，使用干燥剂、防护涂层、镀层等。
4 温度冲击
主要影响：温度冲击可以使电源的材料承受瞬间超应力，造成龟裂、裂纹、层离等机械失效和密封破坏等，同时，永久性改变电性能。
可靠性设计措施：使用防高温和防低温综合技术。
5 机械应力
主要影响：机械应力主要指冲击、振动、加速度、力学谐振、拉力、剪应力和弯曲力等。它能降低电源的机械结构强度、加剧磨损程度。结构破坏会造成零部件松动、散架或脱落。机械性能受到破坏还会引发短路现象，降低电性能。
可靠性设计措施：加固结构件，降低惯性动量，采用抗震技术控制谐振。一般的减震器有金属弹簧、橡胶蜂窝状纸质、泡沫聚苯乙烯塑料等。去耦技术和阻尼技术也是减少冲击、振动的一种可靠性设计技术。
6 电磁辐射
主要影响：产生错误信号，改变材料的物理、化学特性和电性能，产生气体和二次辐射，使表面氧化、褪色。
可靠性设计措施：采用屏蔽的方法，并选择合适的材料和元器件类型。
7 噪声干扰
主要影响：外部噪声主要有高负荷设备启动造成的电压瞬时跌落、波形失真；电火花、无线电发射引发的噪声；开关电源自身也会产生噪声，比如在功率转换开关管从导通到截止的瞬态过程中，高脉冲波形的电流、电压包含高次谐波分量易产生噪声；在开关高速工作时，非线性元件、传输导线分布的电感、电容易发生寄生振荡，有可能产生噪声。
可靠性设计措施：采用高频大容量电容作为输出滤波，从而加强滤波和屏蔽。
8 低气压
主要影响：因密封不良而引发漏气，出现排气现象，其内部热量增加会影响电源的密封性能，降低空气介电常数。绝缘体飞弧或击穿形成逆弧，出现电晕和臭氧，使电性能发生变化。同时，还会使包装材料破裂，降低机械强度。
可靠性设计措施：增加容器的机械强度，加强密封措施，改进绝缘和热传导方法。
9 砂尘
主要影响：会擦伤电源、磨损精加工表面；使气孔堵塞、润滑剂被玷污、绝缘件被玷污，进而产生电晕通路，降低电性能。
可靠性设计措施：采用空气过滤、密封等措施。
10 盐雾
主要影响：盐和水结合成盐水，电路和元器件沾在一起会导电，加剧金属锈蚀、化学腐蚀程度，同时，还可以提高导电性，降低绝缘电阻，增加电压降。
可靠性设计措施：使用非金属防护盖，采用密封的方法，并增加一些干燥剂。
11 淋雨
主要影响：造成电源热损失、浸水、腐蚀、擦伤和堵塞等现象，使其结构被破坏，降低了机械强度，加剧了磨损程度，加速了高低温效应，进而影响电性能。
可靠性设计措施：加强结构密度，注意密封、防护。
12 霉菌
主要影响：绝缘材料的绝缘电阻和抗电强度大幅度降低，霉菌消耗塑料的增塑剂、填料，使塑性变差，加速其老化速度。天然橡胶制成的密封件被破坏，导致密封被破坏。因为霉菌产生的分泌物对金属材料有电解作用，所以，会对金属材料造成腐蚀破坏，漆膜会被穿透.失去其保护作用，进而发生点腐蚀的状况。
可靠性设计措施：选择不易长霉和耐霉性好的材料，在电源表面涂覆防霉剂或防霉漆，利用紫外线照射防霉并消灭已生长的霉菌，以高浓度的臭氧来消灭霉菌。
13 复合环境因素
电源在实际使用过程中，各种环境都不是孤立的，单独作用的情况极少发生，往往是以复合形式出现的，同时，各种环境因素之间也是相互关联的。在生活中，应综合各种因素来提高电源固有的可靠性。
14 结束语
综上所述，在对电源的可靠性进行设计时，应了解电源可能遇到的环境应力类型和应力强度，分析其对电源性能的影响程度，按最坏情况进行设计，使电源抗环境应力的能力大于实际的环境应力强度。
参考文献
[1]孙青.电子元器件可靠性工程[M].北京：电子工业出版社，2002.
[2]吉田弘之.电子元器件的故障原因及其对策[M].北京：中国标准出版社，2004.
〔编辑：白洁〕
摘 要：主要介绍了电子设备中电源的耐环境应力设计和相应的设计措施，并指出了影响电源可靠性的环境因素有高温、低温、潮湿、温度冲击、机械应力、电磁辐射、噪声干扰、低气压、砂尘、盐雾、淋雨、霉菌和它们的复合形式。电子设备的热量主要集中在电源部分，这些热量如果不能及时散去，就会使电源内部温度过高进而引发故障。所以，电源的热设计是耐环境应力设计要重点考虑的指标之一。
关键词：电源；应力设计；热设计；密封；散热
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0018-02
由于电子设备消耗的功率过大，所以，需要在各种直流电压下工作，需要独立的电源来供给。电源的可靠性直接影响着整机系统、设备、仪器、仪表的可靠性。在进行可靠性设计时，不但应清楚电源的工作环境，还要了解影响电源可靠性的主要环境因素及其强度、频率、持续时间和各因素之间的相互关系，还应该明白电子设备的热量主要集中在电源部分，这些热量如果不能及时处理，就会使电源内部温度过高进而引发故障。所以，电源的热设计应是耐环境应力设计重点参考的指标之一。温度过高、过低都会影响电源的可靠性，热设计就是要保证电源在规定温度下完成规定的功能，从而提高电源的可靠性，同时满足用户的需求。
1 高温环境
主要影响：高温环境会使电源内的电阻、电感、电容、电功率系数和介电常数等电性能参数发生变化，使绝缘子绝缘失效。活动元件可能会因膨胀而使结构失效、表面起泡、氧化，并加速其他化学反应。润滑剂黏度降低和蒸发就会丧失润滑性。物理膨胀会增加活动部件的磨损程度，降低结构强度等。
可靠性设计措施：采用散热装置、冷却系统、隔热耐热材料进行自然冷却、强制冷却、蒸发冷却、热管冷却，或采用热传导或热辐射技术。
2 低温环境
主要影响：有些电化学类电源的低温性能不好，需要在低温环境中将其加热。由于其热值设计偏低或保温层不好，会造成电源内部温度过低，电介质导电差、内阻增大、电压低、电源容量低的失效模式，也会使电源塑料和橡胶失去柔性而变脆。有潮气时，会出现结冰现象，润滑剂会变成胶质且变黏，失去润滑性。同时，涂覆表面会龟裂，并且由于物理性收缩而使结构失效等。
可靠性设计措施：采用加热装置（电加热、化学加热、中和加热）进行隔热处理，并选用耐低温的材料等。
3 潮湿环境
主要影响：潮湿现象的表现之一是结露。结露是设备内的温度超过了饱和湿度，使水蒸气变成水，并附着在设备内部，这也成为了离子迁移的原因，同时，湿气也能渗入多孔性材料内，造成导电体之间漏电通路，产生氧气。水分子可以渗透用来封装零部件的树脂，进而扩散，直到电源内湿度变高产生故障。零部件吸潮可以增加绝缘电阻，影响其激活时间、放电时间和工作时间，另外，还可能造成正负极柱锈蚀、零部件膨胀且容易破裂，进而丧失电强度和机械强度，使其结构崩溃。但是，过度干燥也会使某些材料变脆，表面变粗糙。
可靠性设计措施：采用密封、耐潮材料，使用干燥剂、防护涂层、镀层等。
4 温度冲击
主要影响：温度冲击可以使电源的材料承受瞬间超应力，造成龟裂、裂纹、层离等机械失效和密封破坏等，同时，永久性改变电性能。
可靠性设计措施：使用防高温和防低温综合技术。
5 机械应力
主要影响：机械应力主要指冲击、振动、加速度、力学谐振、拉力、剪应力和弯曲力等。它能降低电源的机械结构强度、加剧磨损程度。结构破坏会造成零部件松动、散架或脱落。机械性能受到破坏还会引发短路现象，降低电性能。
可靠性设计措施：加固结构件，降低惯性动量，采用抗震技术控制谐振。一般的减震器有金属弹簧、橡胶蜂窝状纸质、泡沫聚苯乙烯塑料等。去耦技术和阻尼技术也是减少冲击、振动的一种可靠性设计技术。
6 电磁辐射
主要影响：产生错误信号，改变材料的物理、化学特性和电性能，产生气体和二次辐射，使表面氧化、褪色。
可靠性设计措施：采用屏蔽的方法，并选择合适的材料和元器件类型。
7 噪声干扰
主要影响：外部噪声主要有高负荷设备启动造成的电压瞬时跌落、波形失真；电火花、无线电发射引发的噪声；开关电源自身也会产生噪声，比如在功率转换开关管从导通到截止的瞬态过程中，高脉冲波形的电流、电压包含高次谐波分量易产生噪声；在开关高速工作时，非线性元件、传输导线分布的电感、电容易发生寄生振荡，有可能产生噪声。
可靠性设计措施：采用高频大容量电容作为输出滤波，从而加强滤波和屏蔽。
8 低气压
主要影响：因密封不良而引发漏气，出现排气现象，其内部热量增加会影响电源的密封性能，降低空气介电常数。绝缘体飞弧或击穿形成逆弧，出现电晕和臭氧，使电性能发生变化。同时，还会使包装材料破裂，降低机械强度。
可靠性设计措施：增加容器的机械强度，加强密封措施，改进绝缘和热传导方法。
9 砂尘
主要影响：会擦伤电源、磨损精加工表面；使气孔堵塞、润滑剂被玷污、绝缘件被玷污，进而产生电晕通路，降低电性能。
可靠性设计措施：采用空气过滤、密封等措施。
10 盐雾
主要影响：盐和水结合成盐水，电路和元器件沾在一起会导电，加剧金属锈蚀、化学腐蚀程度，同时，还可以提高导电性，降低绝缘电阻，增加电压降。
可靠性设计措施：使用非金属防护盖，采用密封的方法，并增加一些干燥剂。
11 淋雨
主要影响：造成电源热损失、浸水、腐蚀、擦伤和堵塞等现象，使其结构被破坏，降低了机械强度，加剧了磨损程度，加速了高低温效应，进而影响电性能。
可靠性设计措施：加强结构密度，注意密封、防护。
12 霉菌
主要影响：绝缘材料的绝缘电阻和抗电强度大幅度降低，霉菌消耗塑料的增塑剂、填料，使塑性变差，加速其老化速度。天然橡胶制成的密封件被破坏，导致密封被破坏。因为霉菌产生的分泌物对金属材料有电解作用，所以，会对金属材料造成腐蚀破坏，漆膜会被穿透.失去其保护作用，进而发生点腐蚀的状况。
可靠性设计措施：选择不易长霉和耐霉性好的材料，在电源表面涂覆防霉剂或防霉漆，利用紫外线照射防霉并消灭已生长的霉菌，以高浓度的臭氧来消灭霉菌。
13 复合环境因素
电源在实际使用过程中，各种环境都不是孤立的，单独作用的情况极少发生，往往是以复合形式出现的，同时，各种环境因素之间也是相互关联的。在生活中，应综合各种因素来提高电源固有的可靠性。
14 结束语
综上所述，在对电源的可靠性进行设计时，应了解电源可能遇到的环境应力类型和应力强度，分析其对电源性能的影响程度，按最坏情况进行设计，使电源抗环境应力的能力大于实际的环境应力强度。
参考文献
[1]孙青.电子元器件可靠性工程[M].北京：电子工业出版社，2002.
[2]吉田弘之.电子元器件的故障原因及其对策[M].北京：中国标准出版社，2004.
〔编辑：白洁〕
摘 要：主要介绍了电子设备中电源的耐环境应力设计和相应的设计措施，并指出了影响电源可靠性的环境因素有高温、低温、潮湿、温度冲击、机械应力、电磁辐射、噪声干扰、低气压、砂尘、盐雾、淋雨、霉菌和它们的复合形式。电子设备的热量主要集中在电源部分，这些热量如果不能及时散去，就会使电源内部温度过高进而引发故障。所以，电源的热设计是耐环境应力设计要重点考虑的指标之一。
关键词：电源；应力设计；热设计；密封；散热
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0018-02
由于电子设备消耗的功率过大，所以，需要在各种直流电压下工作，需要独立的电源来供给。电源的可靠性直接影响着整机系统、设备、仪器、仪表的可靠性。在进行可靠性设计时，不但应清楚电源的工作环境，还要了解影响电源可靠性的主要环境因素及其强度、频率、持续时间和各因素之间的相互关系，还应该明白电子设备的热量主要集中在电源部分，这些热量如果不能及时处理，就会使电源内部温度过高进而引发故障。所以，电源的热设计应是耐环境应力设计重点参考的指标之一。温度过高、过低都会影响电源的可靠性，热设计就是要保证电源在规定温度下完成规定的功能，从而提高电源的可靠性，同时满足用户的需求。
1 高温环境
主要影响：高温环境会使电源内的电阻、电感、电容、电功率系数和介电常数等电性能参数发生变化，使绝缘子绝缘失效。活动元件可能会因膨胀而使结构失效、表面起泡、氧化，并加速其他化学反应。润滑剂黏度降低和蒸发就会丧失润滑性。物理膨胀会增加活动部件的磨损程度，降低结构强度等。
可靠性设计措施：采用散热装置、冷却系统、隔热耐热材料进行自然冷却、强制冷却、蒸发冷却、热管冷却，或采用热传导或热辐射技术。
2 低温环境
主要影响：有些电化学类电源的低温性能不好，需要在低温环境中将其加热。由于其热值设计偏低或保温层不好，会造成电源内部温度过低，电介质导电差、内阻增大、电压低、电源容量低的失效模式，也会使电源塑料和橡胶失去柔性而变脆。有潮气时，会出现结冰现象，润滑剂会变成胶质且变黏，失去润滑性。同时，涂覆表面会龟裂，并且由于物理性收缩而使结构失效等。
可靠性设计措施：采用加热装置（电加热、化学加热、中和加热）进行隔热处理，并选用耐低温的材料等。
3 潮湿环境
主要影响：潮湿现象的表现之一是结露。结露是设备内的温度超过了饱和湿度，使水蒸气变成水，并附着在设备内部，这也成为了离子迁移的原因，同时，湿气也能渗入多孔性材料内，造成导电体之间漏电通路，产生氧气。水分子可以渗透用来封装零部件的树脂，进而扩散，直到电源内湿度变高产生故障。零部件吸潮可以增加绝缘电阻，影响其激活时间、放电时间和工作时间，另外，还可能造成正负极柱锈蚀、零部件膨胀且容易破裂，进而丧失电强度和机械强度，使其结构崩溃。但是，过度干燥也会使某些材料变脆，表面变粗糙。
可靠性设计措施：采用密封、耐潮材料，使用干燥剂、防护涂层、镀层等。
4 温度冲击
主要影响：温度冲击可以使电源的材料承受瞬间超应力，造成龟裂、裂纹、层离等机械失效和密封破坏等，同时，永久性改变电性能。
可靠性设计措施：使用防高温和防低温综合技术。
5 机械应力
主要影响：机械应力主要指冲击、振动、加速度、力学谐振、拉力、剪应力和弯曲力等。它能降低电源的机械结构强度、加剧磨损程度。结构破坏会造成零部件松动、散架或脱落。机械性能受到破坏还会引发短路现象，降低电性能。
可靠性设计措施：加固结构件，降低惯性动量，采用抗震技术控制谐振。一般的减震器有金属弹簧、橡胶蜂窝状纸质、泡沫聚苯乙烯塑料等。去耦技术和阻尼技术也是减少冲击、振动的一种可靠性设计技术。
6 电磁辐射
主要影响：产生错误信号，改变材料的物理、化学特性和电性能，产生气体和二次辐射，使表面氧化、褪色。
可靠性设计措施：采用屏蔽的方法，并选择合适的材料和元器件类型。
7 噪声干扰
主要影响：外部噪声主要有高负荷设备启动造成的电压瞬时跌落、波形失真；电火花、无线电发射引发的噪声；开关电源自身也会产生噪声，比如在功率转换开关管从导通到截止的瞬态过程中，高脉冲波形的电流、电压包含高次谐波分量易产生噪声；在开关高速工作时，非线性元件、传输导线分布的电感、电容易发生寄生振荡，有可能产生噪声。
可靠性设计措施：采用高频大容量电容作为输出滤波，从而加强滤波和屏蔽。
8 低气压
主要影响：因密封不良而引发漏气，出现排气现象，其内部热量增加会影响电源的密封性能，降低空气介电常数。绝缘体飞弧或击穿形成逆弧，出现电晕和臭氧，使电性能发生变化。同时，还会使包装材料破裂，降低机械强度。
可靠性设计措施：增加容器的机械强度，加强密封措施，改进绝缘和热传导方法。
9 砂尘
主要影响：会擦伤电源、磨损精加工表面；使气孔堵塞、润滑剂被玷污、绝缘件被玷污，进而产生电晕通路，降低电性能。
可靠性设计措施：采用空气过滤、密封等措施。
10 盐雾
主要影响：盐和水结合成盐水，电路和元器件沾在一起会导电，加剧金属锈蚀、化学腐蚀程度，同时，还可以提高导电性，降低绝缘电阻，增加电压降。
可靠性设计措施：使用非金属防护盖，采用密封的方法，并增加一些干燥剂。
11 淋雨
主要影响：造成电源热损失、浸水、腐蚀、擦伤和堵塞等现象，使其结构被破坏，降低了机械强度，加剧了磨损程度，加速了高低温效应，进而影响电性能。
可靠性设计措施：加强结构密度，注意密封、防护。
12 霉菌
主要影响：绝缘材料的绝缘电阻和抗电强度大幅度降低，霉菌消耗塑料的增塑剂、填料，使塑性变差，加速其老化速度。天然橡胶制成的密封件被破坏，导致密封被破坏。因为霉菌产生的分泌物对金属材料有电解作用，所以，会对金属材料造成腐蚀破坏，漆膜会被穿透.失去其保护作用，进而发生点腐蚀的状况。
可靠性设计措施：选择不易长霉和耐霉性好的材料，在电源表面涂覆防霉剂或防霉漆，利用紫外线照射防霉并消灭已生长的霉菌，以高浓度的臭氧来消灭霉菌。
13 复合环境因素
电源在实际使用过程中，各种环境都不是孤立的，单独作用的情况极少发生，往往是以复合形式出现的，同时，各种环境因素之间也是相互关联的。在生活中，应综合各种因素来提高电源固有的可靠性。
14 结束语
综上所述，在对电源的可靠性进行设计时，应了解电源可能遇到的环境应力类型和应力强度，分析其对电源性能的影响程度，按最坏情况进行设计，使电源抗环境应力的能力大于实际的环境应力强度。
参考文献
[1]孙青.电子元器件可靠性工程[M].北京：电子工业出版社，2002.
[2]吉田弘之.电子元器件的故障原因及其对策[M].北京：中国标准出版社，2004.
〔编辑：白洁〕
