开关电源可靠性工程设计探索

魏春锋 胡松延

摘 要 在经济大力发展的趋势推动下，各种各样的电子用品也在逐渐出现，而开关电源一直都是电子系统中不可或缺的组件。一个系统要维系它的应用，保证其稳定性，其中组件的稳定也是要摆在重要的位置的。为了保证系统的稳定运行，就需要对开关电源的可靠性进行研究设计。基于此，本文将经过探讨研究，提出在实际的应用中可以完善工程设计的方法，从而使得开关电源更加可靠，达到保证系统稳定运行的目的。

关键词 开关电源;可靠性;工程设计

引言

关电源是生产线中常用的电气设备，具有体积小、重量轻、功耗小、效率高的特点。在连续生产线中，其主要用于PLC模块、远程I/O站、PROFIBUS网络、仪器仪表、变频器控制电路等重要部位。一旦开关电源出现故障，对连续生产线的伤害是致命的。大多数都会造成机组故障停机损失。为此，设计者通常会在PLC主控制室，增加UPS不间断电源保护系统。因为UPS系统费用昂贵，体积较大，不可能大范围应用。现场电气控制柜大量开关电源的健康状态与管理便成为需要关注的重点。

1开关电源工作原理

开关电源顾名思义就是利用电子开关器件，通过控制电路，使电子开关器件实现接通和关断，以达到对电压的调节和自动稳定。与线性电源相比，开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组匝数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压[1]。

2开关电源可靠性工程设计

2.1 供电方式的选择

首先，传统的供电系统的质量由于采用的是集中式，因此压差也非常不稳定，这样一来就降低了供电的质量，并且因为给部件供电用的也基本上是单台电源，这样就很难进行控制，一旦有一点机器的故障，产生的结果就会是整个系统的瘫痪，正所谓“一损俱损，一亡俱亡”。但是分布式的供电就具有很大的不同了，集中式的缺陷是很明显的，但是分布式相对于集中式的来讲，更加便捷、更加稳定，因此显得性能更强。

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。以工频电网AC220V/50Hz为例，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加上漏感储能引起的尖峰约在800V左右，如果按60%降额使用，则使得耐压1400V的开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中，若两路驱动脉冲不一致，就会使电路工作于不平衡状态，导致变压器原边单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路具有自动抗不平衡能力不会出现这个问题。双管正激式、双正激式和半桥电路的开关管承压仅为输入电源电压，60%降额时选用600V的开关管比较容易，而且不会出现单向偏磁饱和的问题，这三种拓扑在高压输入电路中得到广泛的应用。

2.3 优化控制策略

在中、小功率的电源中，电源型PWM目前的应用较为广泛，其在控制过程中具有如下优势：控制速度更快，即便出现过电流也不会破坏开关管，大幅度降低了短路和过载故障的发生概率;瞬态响应良好，且电网电压调整率优良;易于补偿、环路较为稳定;经实验表明，50W电路控制型开关电源，其输出波纹一般都在25mV左右。硬开关技术在应用过程中，由于开关损耗的问题，故限制了其应用和普及，开关频率通常在350kHz以下，软开关技术主要是运用了谐振原理，进而实现了零开关损耗，并大幅度提升开关频率。该技术在应用的过程中，综合了谐振变换器和PWM变换器两种设备的优势，故更加接近于理想化，如可保证恒储能元件的尺寸的合理性、恒频控制、降低开关损耗、控制范围较广泛等等，该技术目前被广泛应用于大功率的开关点电源中[2]。

2.4 功率因数校正技术

众所周知，谐波电流对电网而言是一种严重的污染，由于电网中的线错综复杂，那么这种电流对于公共的网络而言则是一种威胁，面临这种情况必不可坐视不管，采取的措施就是要能够校正，尽量要使用的开关类型。

2.5 器件可靠性的问题

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器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下，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使用失效率降低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。

2.6 热设计

电源内部的温升会直接影响元器件的效力，待温度达到一定的数值时，其失效率也会随之而增加，热设计过程中应遵循以下几个基本原则：①尽量选择最优将控制技术和方式，并选用耗能较低的元器件，控制好使用数量，提升开关电源的工作效率。②强化散热，通过对流、辐射、传导等技术进行热量转移，同时也可采用风冷、热管、液冷等方法。在进行风冷的过程中，一般需要增加连锁装置、风机电源等，这些工作不仅增加成本，同时也使系统的可靠性能大幅度下降，因此，应尽量采用自然冷却。

2.7 安全性设计技术

对于电源而言，安全性历来被确定为最重要的性能，不安全的产品不但不能完成规定的功能，而且还有可能发生严重事故，甚至造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容主要包括防止漏电危险、过热危险[3]。

3结束语

综上所述，科学技术的不断发展，推动了电源控制技术水平的提高，有效简化了电源电路设计流程，同时也保证了电源的安全性和可靠性。在此也要求相关设计人员善于在工作中总结问题和经验，从而不断提高设计水平。

参考文献

[1] 顾德峰.开關电源可靠性工程设计探索[J].电子技术工程，2019 （20）：227-228.

[2] 陈忠武.浅析开关电源可靠性工程设计[J].通信电源技术，2019， 36（10）：194-195.

[3] 郭胜强.开关电源可靠性工程设计分析[J].通讯世界，2015（8）： 172-173.