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电源设计可靠性与规则

作者:不详 ; 发布时间:2020-3-26 8:08:09 ; 来源:互联网  点击:

引言摘要 

      以下对影响开关电源可靠性的几个方面作出较为详细的分析比较,从工程实际出发提出提高开关电源可靠性的方案。  关键词:开关电源;可靠性电磁兼容 

电子产品的质量是技术性和可靠性两方面的综合。电源作为一个电子系统中重要的部件,其可靠性决定了整个系统的可靠性,开关电源由于体积小,效率高而在各个领域得到广泛应用,如何提高它的可靠性是电力电子技术的一个重要方面.

 

 一: 开关电源电气可靠性工程设计技术

 

 1.1 供电方式的选择 

       供电方式一般分为:集中式供电系统和分布式供电。现代电力电子系统一般采用采用分布式供电系统,以满足高可靠性设备的要求。 

       1.1.1:集中式供电系统

       1.1.2:分布式供电

 

1.2 :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。其中双管正激式、双正激式和半桥电路的开关管承压仅为输入电源电压,60%的降额时选用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。

 

1.3: 功率因数校正技术 

       开关电源的谐波电流污染电网,干扰了其它共网设备,还可能会使采用三相四线制的中线电流过大,引发事故,解决途径之一是采用具有功率因素校正技术的开关电源。

 

 1.4: 控制策略的选择 

       1.4.1:在中小功率的电源中,电流型PWM【脉冲宽度调制/Pulse Width Modulation】控制是大量采用的方法,在DC-DC变换器中,输出纹波可以控制在10mV,优于电压型控制的常规电源。 

       1.4.2:硬开关技术因开关损耗的限制,开关频率一般在350 kHz以下;软开关技术是使开关器件在零电压或零电流状态下开关,实现开关损耗为零,从而可将开关频率提高到兆赫级水平,此技术主要应用于大功率系统,小功率系统中较少见。

 

 1.5: 元器件的选用 

       因为元器件直接决定了电源的可靠性,所以元器件的选用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四 点:制造质量问题、器件可靠性的问题、设计问题、损耗问题。在使用中应对此予以足够重视。

       1.5.1:对元件的选型

              1.5.1. 1:额定电压

额定电压解析:额定电压就是电器所允许加的最大电压值。也就是说是电器正常工作时的两端的电压值。与交直流与电压无关

              1.5.1.2:额定电流

额定电流是指,用电设备在额定电压下,按照额定功率运行时的电流。

电气设备额定电流是指在额定环境条件(环境、温度、日照、海拔、安装条件等)下,电气设备的长期连续工作时允许电流。且工作时电流不应超过它的额定电流

              1.5.1.3:脉宽

脉冲宽度就是高电平持续的时间,常用来作为采样信号或者晶闸管等元件的触发信号。脉宽由信号的周期和占空比雀确定,其计算公式是脉宽W=T×P(△T:周期,P:占空比)【占空比:一个脉冲循环内通电时间所占的比例】

              1.5.1.4:纹波

纹波是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号,指在额定输出电压、电流的情况下,输出电压中的交流电压的峰值。 狭义上的纹波电压,是指输出直流电流中含有的工频交流成分

 

1.6 保护电路 

       为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作,应在设计时加入多种保护电路,如防浪涌冲击、过欠压、过载、短路、过热等保护电路。【浪涌:顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲,浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲,。可能引起浪涌的原因有:重型设备、短路、电源切换或大型发动机。而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量,以保护连接设备免于受损。】

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二:电磁兼容性(EMC)设计技术

1:开关电源多采用脉冲宽度调制

        开关电源多采用PWM【脉冲宽度调制/Pulse Width Modulation】技术,脉冲波形呈矩形,其上升沿与下降沿包含大量的谐波成分,另外输出整流管的反向恢复也会产生EMI【电磁干扰】,这是影响可靠性的不利因素,这使得系统具有EMC【电磁兼容性】成为重要问题。 产生电磁干扰有三个必要条件:干扰源、传输介质、敏感接收单元,EMC【电磁兼容性】设计就是破坏这三个条件中的一个。 对于开关电源而言,主要是抑制干扰源;干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括电容滤波以及共模滤波的技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等技术等等。 

 

2 :电源设备可靠性热设计技术

       统计资料表明电子元器件温度每升高2 ℃,可靠性下降10 %;温升50 ℃时的寿命只有温升25 ℃时的1/6。除了电应力之外,温度是影响设备可靠性最重要的因素。这就需要在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升,这就是热设计。热设计的原则,一是减少发热量,即选用更优的控制方式和技术,如移相控制技术、同步整流技术等技术,另外就是选用低功耗的器件,减少发热器件的数目,加大粗印制线的宽度,提高电源的效率。二是加强散热,即利用传导、辐射、对流技术将热量转移,这包括散热器设计、风冷(自然对流和强迫风冷)设计、液冷(水、油)设计、热电致冷设计、热管设计等。

强迫风冷的散热量比自然冷却大十倍以上,但是要增加风机、风机电源、联锁装置等,在设计中要根据实际情况选取散热方式。

 

3: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事件。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包括防止触电危险、过热危险。

对于商用设备市场,具有代表性的安全标准有UL、CSA、VDE、CCC、IEC、EN、PSE等,内容因用途而异,容许泄漏电流在0.5~5mA之间,我国用军标准GJB1412规定的泄漏电流小于5 mA。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器的Y电容的容量。从EMI滤波器角度出发Y电容的容量越大越好,但从安全性角度出发Y电容的容量越小越好,Y电容的容量根据安全标准来决定。根据GJB151A,50 Hz设备小于0.1 μF,400Hz设备小于0.02 μF。若X电容器的安全性能欠佳,电网瞬态尖峰出现时可能被击穿,它的击穿不危及人身安全,但会使滤波器丧失滤波功能。

3.1:UL /60950/60065,是英文保险商试验所【Underwriter Laboratories Inc.】的简写

3.2:CSA是加拿大标准协会【Canadian Standards Association】的简写

3.3:VDE是电气工程师协会【Prufstelle Testing and Certification Institute】的简写

3.4:CCC之中国强制性产品认证【China Compulsory Certification】的简写

3.5:GJB151A是中国军用标准【Zhongguo junyong biaozhun】的简写

4: 三防设计技术

       三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。凡应用我国长江以南、沿海地区以及军用电源均应进行三防设计。

电子设备的表面在潮湿的海洋大气中会吸附一层很薄的湿水层,即水膜,但水膜达到20~30分子层厚时,就形成化学腐蚀所必须的电解质膜,这种富含盐分的电解质对裸露的金属表面具有很强的腐蚀活性。另外温度突变,在空气中产生露点,会使印制线间绝缘电阻下降、元器件发霉,产生铜绿、引脚被腐蚀断裂等情况。

湿热环境为霉菌的滋生提供了有利条件。霉菌以电子设备中的有机物为养料,吸附水分并分泌有机酸,破坏绝缘,引发短路,加速金属腐蚀。

在工程上,可以选用耐蚀材料,再通过镀、涂或化学处理即通过对电子设备及零部件的表现覆盖一屋金属或非金属保护膜,使之与周围介质隔离,从而达到防护的目的。在结构上采用密封或半密封形式来隔绝外部不利环境。对印制板及组件表现涂覆专用三防清漆可以有效避免导线之间的电晕、击穿,提高电源的可靠性。变压器应进行浸漆,端封,以防潮气进入引发短路事故。

三防设计与电磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防设计优异就具有良好的电气绝缘性,而电气绝缘的外壳就没有好的屏蔽效果,这两方面需综合考虑。在整机设计中,应充分考虑屏蔽与接地要求,采取合理的工艺,保证有电接触的表面长期导通。

 

5:抗振性设计技术

       振动也是造成电源故障的一个重要原因。在振动试验中常发生钽电容和铝电解电容器引线被振断情况,这些就要求加固设计。一般可以用硅胶固定钽电容,给高度超过25cm和直径超过12cm的铝电解电容器加装固定夹,给印制板加装肋条。

 

6: 结束语

       以上建议只是适用于工业品和军品电源,对于商业级产品可以在某些方面作出不同的选择。总之电源设备可靠性的高低,不仅跟电气设计,而且跟装配、工艺、结构设计、加工质量等各方面有关。可靠性是以设计为基础,在实际工程应用上,还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计,进一步提高电源的可靠性

 

7: 要点

       7.1:元件的选型

              额定电流,额定电流,脉宽,纹波;

              解决方案:选择合理的元器件。

       7.2:电气要求的控制

              欠压、过压、过流、过载、短路、过热、浪涌

              解决方案:优化电路。

       7.3:温度的预防:

              额定温度每升高2 ℃,可靠性下降10 %;温升50 ℃时的寿命只有温升25 ℃时的1/6

              解决方案:加粗线宽,加大发热去的散热面积,以及风冷,液冷配置。

       7.4:EMI的控制

              减小回路,电路模块化。

       7.5:EMC的优化

              信号线避开高频区的元件。

       7.6:安规的标准:

              按照当前产品的安规要求进行设计。

       7.7:三防设计

              防潮设计防盐雾设计、防霉菌设计

       7.8:防振设计:

              高度超过25cm和直径超过12cm的元件进行加固处理。

 
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