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電源的可靠性設計

電子產品的質量是技術性和可靠性兩方面的綜合。電源作為一個電子系統中重要的部件,其可靠性決定了整個系統的可靠性,開關電源由于體積小,效率高而在各個領域得到廣泛應用,如何提高它的可靠性是電力電子技術的一個重要方面。

一、開關電源電氣可靠性工程設計技術

1.供電方式的選擇

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

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。

3.功率因數校正技術

開關電源的諧波電流污染電網,干擾了其它共網設備,還可能會使采用三相四線制的中線電流過大,引發事故,解決途徑之一是采用具有功率因素校正技術的開關電源。

4.控制策略的選擇

在中小功率的電源中,電流型PWM控制是大量采用的方法,在DC-DC變換器中輸出紋波可以控制在10mV,優于電壓型控制的常規電源。

硬開關技術因開關損耗的限制,開關頻率一般在350 kHz以下;軟開關技術是使開關器件在零電壓或零電流狀態下開關,實現開關損耗為零,從而可將開關頻率提高到兆赫級水平,此技術主要應用于大功率系統,小功率系統中較少見。

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:制造質量問題、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。

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,如防浪涌沖擊、過欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。

二、電磁兼容性(EMC)設計技術

開關電源多采用脈沖寬度調制(PWM)技術,脈沖波形呈矩形,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復也會產生電磁干擾(EMI),這是影響可靠性的不利因素,這使得系統具有電磁兼容性成為重要問題。
如圖1所示,產生電磁干擾有三個必要條件:干擾源、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。

對于開關電源而言,主要是抑制干擾源,干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。

三、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 ℃時的壽命只有溫升25 ℃時的1/6。除了電應力之外,溫度是影響設備可靠性最重要的因素。這就需要在技術上采取措施限制機箱及元器件的溫升,這就是熱設計。熱設計的原則,一是減少發熱量,即選用更優的控制方式和技術,如移相控制技術、同步整流技術等技術,另外就是選用低功耗的器件,減少發熱器件的數目,加大粗印制線的寬度,提高電源的效率。二是加強散熱,即利用傳導、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。

四、安全性設計技術

對于電源而言,安全性歷來被確定為最重要的性能,不安全的產品不但不能完成規定的功能,而且還有可能發生嚴重事故,甚至造成機毀人亡的巨大損失。為保證產品具有相當高的安全性,必須進行安全性設計。電源產品安全性設計的內容包括防止電危險、過熱危險。

對于商用設備市場,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規定的泄漏電流小于5 mA。電源設備對地泄漏電流的大小取決于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設備小于0.1μF,400Hz設備小于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。

五、三防設計技術

三防設計是指防潮設計、防鹽霧設計和防霉菌設計。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。

電子設備的表面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20~30分子層厚時,就形成化學腐蝕所必須的電解質膜,這種富含鹽分的電解質對裸露的金屬表面具有很強的腐蝕活性。另外溫度突變,在空氣中產生露點,會使印制線間絕緣電阻下降、元器件發霉,產生銅綠、引腳被腐蝕斷裂等情況。

濕熱環境為霉菌的滋生提供了有利條件。霉菌以電子設備中的有機物為養料,吸附水分并分泌有機酸,破壞絕緣,引發短路,加速金屬腐蝕。

在工程上,可以選用耐蝕材料,再通過鍍、涂或化學處理即通過對電子設備及零部件的表現覆蓋一屋金屬或非金屬保護膜,使之與周圍介質隔離,從而達到防護的目的。在結構上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環境。對印制板及組件表現涂覆專用三防清漆可以有效避免導線之間的電暈、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。

三防設計與電磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防設計優異就具有良好的電氣絕緣性,而電氣絕緣的外殼就沒有好的屏蔽效果,這兩方面需綜合考慮。在整機設計中,應充分考慮屏蔽與接地要求,采取合理的工藝,保證有電接觸的表面長期導通。

六、抗振性設計技術

振動也是造成電源故障的一個重要原因。在振動試驗中常發生鉭電容和鋁電解電容器引線被振斷情況,這些就要求加固設計。一般可以用硅膠固定鉭電容,給高度超過25cm和直徑超過12cm的鋁電解電容器加裝固定夾,給印制板加裝肋條。

七、結束語

以上建議只是適用于工業品和軍品電源,對于商業級產品可以在某些方面作出不同的選擇。總之電源設備可靠性的高低,不僅跟電氣設計,而且跟裝配、工藝、結構設計、加工質量等各方面有關。可靠性是以設計為基礎,在實際工程應用上,還應通過各種試驗取得反饋數據來完善設計,進一步提高電源的可靠性。


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