开关电源可靠性工程设计探索

范莉莎

（深圳市昌宝机电设备有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

电子产品的质量主要体现在技术性与可靠性两个方面。在电子系统中，电源发挥着重要作用，电源的可靠性也决定于整体系统的可靠性。一件电子产品应用期限费用的90%以上都由设计环节所决定，注重开关电源可靠性工程设计非常重要。

1 开关电源可靠性的主要设计环节

1.1 供电模式的选取

供电模式有集中式和分布式两种供电方式[1]。由于传统的供电系统主要运用集中式方式，加之给部件供电应用方式以单台电源为主，如此一来，无法达到有效控制的目的，一旦机器出现故障问题，会使整个系统出现瘫痪。而分布式供电方式与集中式相比有明显差异，因为分布式供电方式比较方便，稳定性较高，其性能优势更加显著，所以在开关电源设计中一般运用分布式供电方式，以便提高开关电源的可靠性、安全性。

1.2 电路拓扑的选取

电路拓扑常见的有8种方式可供选择，例如单端正激方式、单端反激方式、双管正激方式、双单端正激方式、双正激方式、推挽方式、半桥方式以及全桥方式等。

现阶段，比较常见的还是以双管正激方式、双正激方式为主。通常情况下，开关管都有相应的承压标准，上述的承压加上漏感储能容易导致800 V尖峰，如果根据60%的降额标准加以应用，其耐压1 400 V开关管就不在考虑范围之内[2]。另外，驱动脉冲作为考虑的重点，如果两路驱动并不相同，其电路运作会出现不稳定的现象。为了确保其运用效果，需合理运用拓扑。当前全桥拓扑难以满足实际要求，但是半桥电路能发挥抗平衡的作用，为此应结合实际情况，注重电路拓扑的选取环节。现阶段，双管正激方式与半桥电路的开关管承压能力基本相同，都是电源最大输入电压，在降额达到60%的情况下，也会带来不利影响，但不会出现单向偏磁饱和的情况，所以双管正激方式、半桥方式在电路拓扑选取方面较为实用。

1.3 功率因数校正手段

谐波电流会对电网带来严重的影响，加之电网的线路比较复杂繁琐，此种电流容易对公共网络造成威胁。基于此，需运用功率因数校正，尽可能运用相应的开关类型。

1.4 控制方案的选取

在程序设计环节中，控制也十分关键，既要达到良好的控制效果，又不会对开关造成不利的耗损影响。现阶段，中小功率的电源可应用电流型PWM控制方式，显著的优势就是能够有效保护开关管，不会由于过流而形成不利影响，反应相对敏捷，很少出现短路问题。在控制环节中，利用软开关能达到无损耗的目的，从而增加开关的使用频率[3]。

1.5 元器件的选取

由于元器件容易对电源的可靠性带来影响，因此应重视元器件的选取，否则会对最终的设计造成不利影响。通常情况下容易出现以下问题。

（1）制造质量问题。开关电源可靠性工程设计是否具有可行性，关键点在于各个部件的质量，为此在对各个器件展开合理选取时，需要遵循相应的标准要求。只有通过质量检验，才能确保开关电源的可靠性，满足相应的标准要求。

（2）器件的可靠性问题。在一定情况下，器件的可靠性并不全是质量问题导致，除去质量问题，还有一种偶然性，即工作应力水平[4]。此应力水平在相应标准下容易出现失效现象，通常会运用有效的应对对策。部分器件未能满足标准要求，需要把这些不符合标准的零件准确找出，以便提高开关电源可靠性工程设计的质量。

（3）设计环节的问题。首先最为关键的环节就是器件的选取，因器件种类繁多，应根据实际情况选取最适当的器件，同时也要遵循灵活、可修复性原则。其次，有关降额需满足相关要求，主要通过多维考量处理好基本失效率与工作应力的内在关系。基本失效率与工作应力存在正比关系，一方升高，另一方也会提高。

（4）损耗问题。损耗通常情况下与不同部件的应用时长有一定关联性，简单来讲，就是应有期限，不能要求一个部件可以一直应用下去[5]。所有部件都是有相应期限的，基于可靠性的考量，特别是电容器的应用时长需要合理管控，不能长期使用，以避免安全事故问题的发生。

（5）电路保护。在开关电源可靠性工程设计时，需要基于大局观的层面对其他因素加以考量，注重电路保护环节。

2 电磁兼容性设计方法

谐波有一定的干扰性质，对于开关电源可靠性工程设计来讲有一定的威胁，为此需要注重对电磁兼容性的考量。想要保证开关电源的可靠性，最为关键的就是干扰源头的控制，将干扰诱因逐一找出来[6]。利用适当的滤波仪器，进一步扫清对信号的干扰障碍。另外，避免设备自身形成干扰信号，防止其窜入电网，对其他设备带来不利影响。

3 热设计技术方法

电源设备的元器件热稳定性会随环境温度升高变差，一旦温度超过标准值，元器件失效率也会进一步提升，当温度超出极限，会使元器件失效。根据相关研究发现，电子元器件温度每升高2 ℃，可靠性会降低10%；当升高50 ℃时，其寿命只有升温25 ℃的16.66%左右[7]。除去电应力以外，温度也是影响仪器可靠性的关键要素，这就需要在技术方面运用限制机箱与元器件温升方式。

关于热设计的基本原则，主要包括以下几点。（1）控制发热量。运用有效的控制方式，例如移相控制方法、同步整流方法等。除此之外，选取功耗较低的器件，扩大加粗印制线的宽度，进一步强化电源的运作效率。（2）注重散热。运用传导技术、辐射技术、对流技术等把热量转移，主要以散热器设计以及冷风设计、液冷设计、热电制冷设计以及热管设计为主。

相较于自然冷却，强迫风冷的散热量明显较大。但是要增设风机、风机电源系统等设施，不仅会使设备成本升高，还会降低系统的可靠性能，容易产生噪声、振动等问题。在一般情况下主要运用自然冷却的方式，不建议应用风冷、液冷等冷却方式。在元器件设计方面，需要把发热器件放置于下风位置或者印制板上方，散热器利用氧化发黑技术，增强辐射效率，不能使用黑漆直接进行涂抹。在喷涂三防漆之后，容易对散热性带来影响，应适当增加使用计量。散热器安装管子的平面需保持平滑、平整，通常在接触面上涂抹硅脂，可强化导热率。变压器与电感线圈也要尽可能选取比较粗的导线，能够降低发热量。

4 安全性设计方式

对于开关电源来讲，安全性是一项基础性能，安全性较低的产品不但无法满足规定的功能要求，还容易增加安全事故的发生概率，严重情况下会对人员的安全造成极大威胁。安全性能在设计过程中需要对防止漏电、发热程度等因素加以考量，对于不同仪器设备，也要灵活运用。

针对商用设备市场，UL、CSA、VDE等作为代表性的安全标准，其允许泄漏电流一般在0.5～5.0 mA，而军用标准GJB 1412要求的泄漏电流不超过5.0 mA。开关电源设备对地泄漏电流的大小与EMI滤波器Y电容的容量有关。基于EMI滤波器的层面进行分析，Y电容容量越大其效果越好；而在安全性能的层面，Y电容容量越小越好。当X电容器安全性能较弱时，电网瞬态尖峰容易出现被击穿的现象，尽管此击穿现象不会对工作者的人身安全造成极大影响，但是会让滤波仪器丧失滤波的功能。

5 三防设计方法

三防设计主要针对防潮设计、防烟雾设计以及防霉菌设计，一般在我国长江以南、沿海区域、军用电源中普遍运用。电子产品的表面长期处在海洋大气当中，因在潮湿环境下会吸附一层比较薄的湿水层，俗称为水膜，当水膜达到20～30分子层厚的情况下，就会产生化学腐蚀所需的电解质膜，此种蕴含盐分的电解质膜对于裸露金属表面有着显著的腐蚀活性[8]。除此之外，当温度发生突变，容易在空气中形成露点，也会让印制线之间的绝缘电阻减弱、元器件发霉，从而形成铜绿、引脚被腐蚀断裂等现象。

湿热的环境容易为霉菌提供便利的形成条件，霉菌主要以电子仪器中的有机物作为养料，可以吸附水分，且分泌的有机酸会对绝缘性能带来破坏影响，导致短路问题的发生，加快金属腐蚀的速度。在工程建设中，可选取耐腐蚀性的材料，再运用镀、涂或者化学处理方式，简单来讲就是对电子仪器、零部件的表面覆盖一层金属或者非金属保护膜，使其和附近介质相互隔离，发挥防护的作用[9]。在结构方面，应用密封或者半密封的方式，将外部不利环境有效隔绝。针对印制板与组件表面进行专用三防清漆的涂覆，从而避免导线之间出现电晕、击穿现象，增强开关电源的可靠性。变压器也要通过浸漆、端封等处理方式，避免进入潮气，发生短路。

三防设计和电磁屏蔽具有矛盾性，如果三防设计良好，能够发挥显著的电气绝缘作用，然而电气绝缘外壳没有屏蔽效果，对于上述情况应该加以重视。在整机设计过程中，需要对屏蔽和接地要求加以了解，从而运用适当的技术手段确保有电接触的表面长期导通。

6 抗震性设计方法

开关电源形成故障问题的原因很多，去除上述所描述的因素，还有抗震性设计。通常电容器中都有引线，此种引线十分脆弱，根本原因是牢固性较弱，需要对其进行加固处理。一般情况下，可以利用硅胶固定恒电容的方式，给高度大于25 cm且直径超过12 cm的铝电解电容器进行固定夹安装，向印制板装置肋条等。

7 结 论

综上所述，用户对产品的可靠性提出较高的要求，此种背景下，社会各界对开关电源可靠性工程设计给予高度重视。在开关电源可靠性研究中对不同环节提出相应的工程设计方案，但是受相关因素的影响，文章中所提及的方法只适用于工业制品、军用品开关电源。开关电源的可靠性工程设计和许多因素都有关联性，要在不同设计环节确保其质量。随着科学技术的发展，开关电源可靠性工程设计会得到持续优化，以提高产品的安全性能，延长产品的应用期限。