开关电源可靠性设计研究

合肥威师智能电子电器厂　葛　坤　沈军霞

开关电源可靠性设计研究

合肥威师智能电子电器厂葛坤沈军霞

开关电源是近些年来应用十分普遍的新式电源，它相比传统电源拥有着占空间小、效率高等优势。开关电源的可靠性研究是确保设备正常工作的保证，本文中笔者主要通过对开关电源可靠性设计指标的解读，引出对开关电源可靠性设计的分析与研究思路。

开关电源；可靠性指标；可靠性设计

引言

随着工业技术的飞速发展，电源设备的结构也越来越复杂。开关电源作为应用最为普遍的新式电源，其使用环境也日趋多样化，时常会遇到高湿度、高温、低温等工作环境，并且开关电源需要连续运行较长时间，这对开关电源性能的可靠性提出了较高的要求。

1.可靠性设计指标

评价一种电器元件的可靠性在国际上有很多标准，其中既包含定量的标准也包含定性的标准，而且有时也需要通过多种不同的评价指标来衡量某种产品的可靠性。在这些评价指标中，最为常用的指标如下：

（1）MTBF指标，表示平均故障间隔指标，是指平均出现两次故障之间的正常工作时间，也被称为无故障工作时间指标。一般来说，MTBF的数值等于总工作时间与在此期间出现的故障数之比；平均故障间隔指标是衡量电器元件产品可靠性的重要标准，其数值越大则表明该电器元件产品的可靠性程度越高。

（2）失效率指标，这项指标代表着产品在一定时间内产生故障的次数，失效率的数值越小则代表该产品的可靠性程度越高。失效率指标和平均故障间隔指标都是评价产品可靠性的“概率性”关键性标准与“标尺”。

2.开关电源可靠性设计

2.1电气可靠性设计

对于开关电源电气的可靠性设计主要有供电方式的选择、电路拓扑的选用、功率因数校正、控制策略的选取、设计过程元器件的选择以及降额设计六个方面。

（1）供电方式的选择。供电方式主要分为集中式供电方式以及分布式供电方式。分布式供电方式具有着效率高、节能、质量高、功率扩展较为简便等优势，可以满足具有高可靠性的设备需求，因此当前电力电子系统大多都选择了分布式供电方式来满足日常运行需要。

（2）电路拓扑的选用。开关电源运用的拓扑有多种，而在高可靠性设备中大多运用的是双管正激式以及半桥电路式两种电路拓扑，因为这两种电路拓扑可以实现自动抗不平衡，并且在60%以下的降额情况下，其开关管的选型也相对方便。

（3）功率因素校正。可选取拥有功率因素校正功能的开关电源来克服谐波电流污染电网的现象，降低事故发生的频率，提升了产品的可靠性。

（4）控制策略的选取。对于大功率电源一般选取软开关技术，具有较低的开关损失、控制范围较宽、负载范围较大等优点。而对于小功率或是中等功率的电源大多还是选用了PWM控制技术，PWM控制技术具有着电压控制速度快、环路稳定性高、短路故障少等优点。

（5）设计过程中元器件的选择。因为元器件对于电源可靠性好坏具有着重要的决定作用，因此在设计过程中对元器件的合理选择也是十分必要的。对于元器件的选择主要包括：选择的元器件制造质量要合乎标准、进行筛选试验并选择高可靠性的元器件、严格按照元器件的选用原则来进行选择、结合使用环境对元器件的要求来进行选择等环节。

（6）降额设计。为了解决某些元器件失效率较高的问题，在电路设计的过程中需要进行降额设计。经过大量实验可以得出，大多数元器件的失效率与电应力以及温度关系较大，所以降额设计的控制重心也应放在电应力和温度上。

2.2可靠性热设计

温度是决定开关电源可靠性的一大重要因素，当设备的内部温度过高时将可能会引起一些对温度反应敏感的元器件失灵状况，并且长时间在较高温度下工作会大大降低电子元器件的使用寿命。解决这个问题主要从控制设备的发热量以及加强散热两个方面进行控制。

控制设备发热量可以采取更加合适的控制技术来减少设备运行时造成的损耗，从而减少发热量，并且设计时要选用低功耗的部件并且合理减少发热源的数目，在变压器等的设计中可以采取应用较粗导线来减低电阻较少发热。

加强散热的方法主要有安装散热器、自然对流、水冷油冷以及电制冷等，其中安装散热器一般是利用热传递以及热对流的原理，发热源将热量传递至散热器，再由散热器以对流换热的形式排出设备。强迫风冷的散热效果虽然十分显著，是自然冷的十倍以上，但是由于增加了风机等设备，使得设备更为复杂并且提升了成本，并且产生了多余的噪声和振动，因此在大多数情况下应用较少，但是在部分特殊要求的设备中仍有应用。

2.3安全性设计

电源的安全性一直以来都是设计人员最为重视的性能，不具备足够安全性的电源产品不但使得正常工作得不到保障，而且还可能会引发巨大的事故，造成重大损失。因此对电源产品进行安全性设计是十分必要的，其设计的主要内容包含了避免触电和烧伤等保护措施；关系到电源产品对地漏电量大小的主要因素是EMI滤波器电容量的高低，如图1所示，从开关电源设备安全性的角度出发，滤波器电容的容量越小安全性能越高；但是从滤波器来看，其电容容量越大则性能越好。因此在实际设计当中，一般根据安全标准来对EMI滤波器的电容容量进行设计。在避免烧伤的设计方面，在设计时就需要注意当环境温度在25摄氏度左右时，设备的最高温度不易高于60摄氏度，与人体直接接触的部位温度不宜高于50摄氏度。

图1　EMI滤波器示意图

2.4三防设计

电子设备在潮湿的环境中工作时，其表面常常会吸附空气中的水分形成一层水膜，当这个湿水层的厚度超过二十分子层厚度时，就会成为具有化学腐蚀性的电解质膜，会导致元器件受到腐蚀发霉或是产生铜绿，并且这样的环境也为霉菌的繁殖提供了较好的条件。因此在我国沿海地区以及长江流域以南地区都应当进行开关电源的三防设计。具体来说，三防设计的内容包括防潮湿、防盐雾以及防霉菌设计等。在进行开关电源的三防设计时，元器件的原材料应当具有较低的吸湿度，并且不含容易滋生霉菌的材料，在机柜内应当设置适当的防护网以防止昆虫等动物的进入，关键部件应选用耐腐蚀材料并通过镀、涂等方式在部件表面形成一层保护膜，使部件与周围介质隔离开来；在设备的结构上，可以采取封闭或半封闭的结构降低不良环境对设备造成的影响。变压器等设备可采用浸漆等方法进行处理，防止湿气影响而发生短路。

2.5抗震性设计

在开关电源设备实际运作中，不当的振动也是引发设备部件故障的重要因素之一，这就要求在开关电源的设计过程中必须进行加固设计。如今应用最多的就是用硅胶来固定电容，给直径大于12厘米、长度大于25厘米的铝制电解容器安装固定夹。

3.结语

开关电源设备在行业中应用普遍，具有极为重要的地位，因此其可靠性也是被研究人员关注的焦点。决定开关电源可靠性高低的因素最重要的是设计因素，除此之外其加工质量、加工工艺以及设备的装配等方面对开关电源设备的可靠性都有着一定的影响。所以在合理设计的基础上，开关电源设备的可靠性还有着进一步提高的空间。

［1］吕方超，李玉忍，兰根龙.开关电源的可靠性分析［J］.电源技术，2014，06：1127-1129.

［2］朱春节，郭春生，李志国，吕长志.开关电源模块可靠性的研究［J］.环境技术，2008，02：41-43.

［3］张晓杰，曾照洋，孟令严，姜同敏，王晓峰，朱越.服务器开关电源的可靠性测试［A］.中国仪器仪表学会.

葛坤（1979－），男，安徽潜山人，硕士，工程师，研究方向：嵌入式控制。