開關電源電氣可靠性工程設計技術

1.1 供電方式的選擇

供電方式一般分為：集中式供電係統和分布式供電。現代電力電子係統一般采用采用分布式供電係統，以滿足高可靠性設備的要求。

1.2 電路拓撲的選擇

開關電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式
、雙正激式
、推挽式、半橋、全橋等八種拓撲。其中雙管正激式、雙正激式和半橋電路的開關管承壓僅為輸入電源電壓，60%降額時選用600V的開關管比較容易，而且不會出現單向偏磁飽和的問題，這三種拓撲在高壓輸入電路中得到廣泛的應用。

1 .3 功率因數校正技術

開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)汙(wu)染(ran)電(dian)網(wang)，幹(gan)擾(rao)了(le)其(qi)它(ta)共(gong)網(wang)設(she)備(bei)，還(hai)可(ke)能(neng)會(hui)使(shi)采(cai)用(yong)三(san)相(xiang)四(si)線(xian)製(zhi)的(de)中(zhong)線(xian)電(dian)流(liu)過(guo)大(da)

，引(yin)發(fa)事(shi)故(gu)，解(jie)決(jue)途(tu)徑(jing)之(zhi)一(yi)是(shi)采(cai)用(yong)具(ju)有(you)功(gong)率(lv)因(yin)素(su)校(xiao)正(zheng)技(ji)術(shu)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)。

1.4 控製策略的選擇

在中小功率的電源中
，電流型PWM控製是大量采用的方法，在DC-DC變換器中輸出紋波可以控製在10mV，優於電壓型控製的常規電源。

硬開關技術因開關損耗的限製
，開關頻率一般在350 kHz以下；ruankaiguanjishushishikaiguanqijianzailingdianyahuolingdianliuzhuangtaixiakaiguan
，shixiankaiguansunhaoweiling，congerkejiangkaiguanpinlvtigaodaozhaohejishuiping，cijishuzhuyaoyingyongyudagonglvxitong，xiaogonglvxitongzhongjiaoshaojian。

1.5 元器件的選用

因為元器件直接決定了電源的可靠性，所以元器件的選用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四點：製造質量問題、器件可靠性的問題

、設計問題、損耗問題。在使用中應對此予以足夠重視。

1.6 保護電路

為使電源能在各種惡劣環境下可靠地工作，應在設計時加入多種保護電路
，如防浪湧衝擊、過欠壓
、過載、短路、過熱等保護電路。

2 電磁兼容性（EMC）設計技術

開關電源多采用脈衝寬度調製（PWM）技術，脈衝波形呈矩形，其上升沿與下降沿包含大量的諧波成分
，另外輸出整流管的反向恢複也會產生電磁幹擾（EMI）

，這是影響可靠性的不利因素
，這使得係統具有電磁兼容性成為重要問題。

如圖1所示，產生電磁幹擾有三個必要條件：幹擾源、傳輸介質、敏感接收單元，EMC設計就是破壞這三個條件中的一個。

對於開關電源而言，主要是抑製幹擾源
，幹擾源集中在開關電路與輸出整流電路。采用的技術包括濾波技術、布局與布線技術、屏蔽技術、接地技術、密封技術等技術。

3 電源設備可靠性熱設計技術

統計資料表明電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性下降10 %；溫升50 ℃時的壽命隻有溫升25 ℃時的1/6。除chu了le電dian應ying力li之zhi外wai
，溫wen度du是shi影ying響xiang設she備bei可ke靠kao性xing最zui重zhong要yao的de因yin素su。這zhe就jiu需xu要yao在zai技ji術shu上shang采cai取qu措cuo施shi限xian製zhi機ji箱xiang及ji元yuan器qi件jian的de溫wen升sheng，這zhe就jiu是shi熱re設she計ji。熱re設she計ji的de原yuan則ze，一yi是shi減jian少shao發fa熱re量liang
，即ji選xuan用yong更geng優you的de控kong製zhi方fang式shi和he技ji術shu，如ru移yi相xiang控kong製zhi技ji術shu
、tongbuzhengliujishudengjishu


，lingwaijiushixuanyongdigonghaodeqijian
，jianshaofareqijiandeshumu
，jiadacuyinzhixiandekuandu，tigaodianyuandexiaolv。ershijiaqiangsanre，jiliyongchuandao、輻射、對流技術將熱量轉移，這包括散熱器設計、風冷（自然對流和強迫風冷）設計、液冷（水、油）設計、熱電致冷設計
、熱管設計等。

強迫風冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上，但是要增加風機、風機電源、聯鎖裝置等，在設計中要根據實際情況選取散熱方式。

4 安全性設計技術

duiyudianyuaneryan
，anquanxinglilaibeiquedingweizuizhongyaodexingneng，buanquandechanpinbudanbunengwanchengguidingdegongneng
，erqiehaiyoukenengfashengyanzhongshigu
，shenzhizaochengjihuirenwangdejudasunshi。weibaozhengchanpinjuyouxiangdanggaodeanquanxing，bixujinxinganquanxingsheji。dianyuanchanpinanquanxingshejideneirongbaokuofangzhidianweixian、過熱危險。

對於商用設備市場
，具有代表性的安全標準有UL
、CSA、VDE等
，內容因用途而異

，容許泄漏電流在0.5～5mA之間，我國用軍標準GJB1412規定的泄漏電流小於5 mA。電源設備對地泄漏電流的大小取決於EMI濾波器的Y電容的容量，如圖二所示。從EMI濾波器角度出發Y電容的容量越大越好，但從安全性角度出發Y電容的容量越小越好，Y電容的容量根據安全標準來決定。根據GJB151A，50 Hz設備小於0.1μF，400Hz設備小於0.02μF。若X電容器的安全性能欠佳，電網瞬態尖峰出現時可能被擊穿，它的擊穿不危及人身安全，但會使濾波器喪失濾波功能。

5 三防設計技術

三防設計是指防潮設計
、防鹽霧設計和防黴菌設計。凡應用我國長江以南
、沿海地區以及軍用電源均應進行三防設計。

電子設備的表麵在潮濕的海洋大氣中會吸附一層很薄的濕水層，即水膜

，但水膜達到20～30fenzicenghoushi，jiuxingchenghuaxuefushisuobixudedianjiezhimo，zhezhongfuhanyanfendedianjiezhiduiluoludejinshubiaomianjuyouhenqiangdefushihuoxing。lingwaiwendutubian
，zaikongqizhongchanshengludian
，huishiyinzhixianjianjueyuandianzuxiajiang、元器件發黴，產生銅綠
、引腳被腐蝕斷裂等情況。

shirehuanjingweimeijundezishengtigongleyoulitiaojian。meijunyidianzishebeizhongdeyoujiwuweiyangliao，xifushuifenbingfenmiyoujisuan，pohuaijueyuan，yinfaduanlu
，jiasujinshufushi。

在工程上，可以選用耐蝕材料，再通過鍍、塗(tu)或(huo)化(hua)學(xue)處(chu)理(li)即(ji)通(tong)過(guo)對(dui)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)及(ji)零(ling)部(bu)件(jian)的(de)表(biao)現(xian)覆(fu)蓋(gai)一(yi)屋(wu)金(jin)屬(shu)或(huo)非(fei)金(jin)屬(shu)保(bao)護(hu)膜(mo)，使(shi)之(zhi)與(yu)周(zhou)圍(wei)介(jie)質(zhi)隔(ge)離(li)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)防(fang)護(hu)的(de)目(mu)的(de)。在(zai)結(jie)構(gou)上(shang)采(cai)用(yong)密(mi)封(feng)或(huo)半(ban)密(mi)封(feng)形(xing)式(shi)來(lai)隔(ge)絕(jue)外(wai)部(bu)不(bu)利(li)環(huan)境(jing)。對(dui)印(yin)製(zhi)板(ban)及(ji)組(zu)件(jian)表(biao)現(xian)塗(tu)覆(fu)專(zhuan)用(yong)三(san)防(fang)清(qing)漆(qi)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)避(bi)免(mian)導(dao)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)暈(yun)
、擊穿
，提高電源的可靠性。變壓器應進行浸漆，端封
，以防潮氣進入引發短路事故。

三(san)防(fang)設(she)計(ji)與(yu)電(dian)磁(ci)屏(ping)蔽(bi)往(wang)往(wang)是(shi)矛(mao)盾(dun)的(de)。如(ru)果(guo)三(san)防(fang)設(she)計(ji)優(you)異(yi)就(jiu)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)電(dian)氣(qi)絕(jue)緣(yuan)性(xing)，而(er)電(dian)氣(qi)絕(jue)緣(yuan)的(de)外(wai)殼(ke)就(jiu)沒(mei)有(you)好(hao)的(de)屏(ping)蔽(bi)效(xiao)果(guo)，這(zhe)兩(liang)方(fang)麵(mian)需(xu)綜(zong)合(he)考(kao)慮(lv)。在(zai)整(zheng)機(ji)設(she)計(ji)中(zhong)
，應(ying)充(chong)分(fen)考(kao)慮(lv)屏(ping)蔽(bi)與(yu)接(jie)地(di)要(yao)求(qiu)，采(cai)取(qu)合(he)理(li)的(de)工(gong)藝(yi)，保(bao)證(zheng)有(you)電(dian)接(jie)觸(chu)的(de)表(biao)麵(mian)長(chang)期(qi)導(dao)通(tong)。

6 抗振性設計技術

振(zhen)動(dong)也(ye)是(shi)造(zao)成(cheng)電(dian)源(yuan)故(gu)障(zhang)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)原(yuan)因(yin)。在(zai)振(zhen)動(dong)試(shi)驗(yan)中(zhong)常(chang)發(fa)生(sheng)鉭(tan)電(dian)容(rong)和(he)鋁(lv)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)引(yin)線(xian)被(bei)振(zhen)斷(duan)情(qing)況(kuang)

，這(zhe)些(xie)就(jiu)要(yao)求(qiu)加(jia)固(gu)設(she)計(ji)。一(yi)般(ban)可(ke)以(yi)用(yong)矽(gui)膠(jiao)固(gu)定(ding)鉭(tan)電(dian)容(rong)
，給(gei)高(gao)度(du)超(chao)過(guo)25cm和直徑超過12cm的鋁電解電容器加裝固定夾，給印製板加裝肋條。

7 結束語

以(yi)上(shang)建(jian)議(yi)隻(zhi)是(shi)適(shi)用(yong)於(yu)工(gong)業(ye)品(pin)和(he)軍(jun)品(pin)電(dian)源(yuan)，對(dui)於(yu)商(shang)業(ye)級(ji)產(chan)品(pin)可(ke)以(yi)在(zai)某(mou)些(xie)方(fang)麵(mian)作(zuo)出(chu)不(bu)同(tong)的(de)選(xuan)擇(ze)。總(zong)之(zhi)電(dian)源(yuan)設(she)備(bei)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)高(gao)低(di)，不(bu)僅(jin)跟(gen)電(dian)氣(qi)設(she)計(ji)
，而(er)且(qie)跟(gen)裝(zhuang)配(pei)、工藝、結構設計、加(jia)工(gong)質(zhi)量(liang)等(deng)各(ge)方(fang)麵(mian)有(you)關(guan)。可(ke)靠(kao)性(xing)是(shi)以(yi)設(she)計(ji)為(wei)基(ji)礎(chu)，在(zai)實(shi)際(ji)工(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)上(shang)，還(hai)應(ying)通(tong)過(guo)各(ge)種(zhong)試(shi)驗(yan)取(qu)得(de)反(fan)饋(kui)數(shu)據(ju)來(lai)完(wan)善(shan)設(she)計(ji)，進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)電(dian)源(yuan)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。