开关电源的可靠性设计

1引言

开关电源是各种系统的核心部分。开关电源的需求越来越大，同时对可靠性提出了越来越高的要求。涉及系统可靠性的因素很多。目前，人们认识上的主要误区是把可靠性完全（或基本上）归结于元器件的可靠性和制造装配的工艺,忽略了系统设计和环境温度对可靠性的决定性的作用。据美国海军电子实验室的统计，整机出现故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。   



在民用电子产品领域，日本的统计资料表明，可靠性问题80％源于设计方面（日本把元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率等部分也归入设计上的原因）。以上两方面的数据表明，设计及元器件（元器件的选型，质量级别的确定，元器件的负荷率）的原因造成的故障，在开关电源故障原因中占80％左右。减少这两方面造成的开关电源故障，具有重要的意义。总之，对系统的设计者而言，需要明确建立“可靠性”这个重要概念，把系统的可靠性作为重要的技术指标，认真对待开关电源可靠性的设计工作，并采取足够的措施提高开关电源的可靠性，才能使系统和产品达到稳定、可靠的目标。本文就从这两个方面来研究与阐述。  

2 系统可靠性的定义及指标  

国际上，通用的可靠性定义为：在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。此定义适用于一个系统，也适用于一台设备或一个单元。描述这种随机事件的概率可用来作为表征开关电源可靠性的特征量和特征函数。从而，引出可靠度[R（t）]的定义：系统在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。  

如系统在开始 （t=0）时有n0个元件在工作，而在时间为t时仍有n个元件在正常工作，  

则可靠性 R(t)=n/n00≤R(t) ≤1  
失效率 λ(t)= - dinR(t)/dt  
λ定义为该种产品在单位时间内的故障数，即λ=dn/dt。
  
如失效率λ为常数，则

dn/dt=-λt  
n=n0e-λt  
R(t)=e-λt0
MTBF（平均无故障时间）=1/λ  

平均无故障时间（MTBF）是开关电源的一个重要指标，用来衡量开关电源的可靠性。  

3影响开关电源可靠性的因素

从各研究机构研究成果可以看出，环境温度和负荷率对可靠性影响很大，这两个方面对开关电源的影响很大，下面将从这两方面分析，如何设计出高可靠的开关电源。其中：PD为使用功率；PR为额定功率主。UD为使用电压；UR为额定电压。

3.1 环境温度对元器件的影响  

3.1.1 环境温度对半导体的影响  

硅三极管以PD/PR=0.5使用负荷设计，则环温度对可靠性的影响，如表2所示。  



由表2可知，当环境温度Ta从20℃增加到80℃时，失效率增加了30倍。

3.1.2 环境温度对电容器的影响

以UD/UR=0.65使用负荷设计 则环境温度对可靠性的影响如表3所示。  



从表3可知，当环境温度Ta从20℃增加到80℃时，失效率增加了14倍。  
3.1.3 环境温度对电阻器的影响  
以PD/PR=0.5使用负荷设计，则环境温度对可靠性的影响如表4所示。  


  
从表4可知，当环境温度Ta从20℃增加到80℃时，失效率增加了4倍。
  
3.2 负荷率对元器件的影响  

3.2.1 负荷率对半导体的影响

当环境温度为50℃时，PD/PR对失效率的影响如表5所示。  


  

由表5可知，当PD/PR=0.8时，失效率比0.2时增加了1000倍。  

3.2.2 负荷率对电阻的影响  

负荷率对电阻的影响如表6所示。  



从表6可以看出，当PD/PR=0.8时，失效率比PD/PR=0.2时增加了8倍。  

4可靠性设计的原则  

我们可以从上面的分析中得出开关电源的可靠性设计原则。  

4.1可靠性设计指标应包含定量的可靠性要求。
  
4.2可靠性设计与器件的功能设计相结合，在满足器件性能指标的基础上，尽量提高器件的可靠性水平。  
4.3应针对器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相应制约因素进行综合平衡设计。  
4.4在可靠性设计中尽可能采用国、内外成熟的新技术、新结构、新工艺和新原理。  
4.5对于关键性元器件，采用并联方式，保证此单元有足够的冗佘度。  
4.6 原则上要尽一切可能减少元器件使用数目。  
4.7在同等体积下尽量采用高额度的元器件。  
4.8 选用高质量等级的元器件。  
4.9 原则上不选用电解电容。  
4.10 对电源进行合理的热设计，控制环境温度，不致温度过高，导致元器件失效率增加。  
4.11 尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。  
4.12 应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件，禁止选用塑料封装的器件。

5可靠性设计  

5.1 负荷率的设计  

由于负荷率对可靠性有重大影响，故可靠性设计重要的一个方面是负荷率的设计，跟据元器件的特性及实践经验，元器件的负荷率在下列数值时，电源系统的可靠性及成本是较优的。  

5.1.1半导体元器件

半导体元器件的电压降额应在0.6以下，电流降额系数应在0.5以下。半导体元器件除负荷率外还有容差设计，设计开关电源时，应适当放宽半导体元器件的参数允许变化范围，包括制造容差、温度漂移、时间漂移、辐射导致的漂移等。以保证半导体元器件的参数在一定范围内变化时，开关电源仍能正常工作。  

5.1.2电容器

电容器的负荷率（工作电压和额定电压之比）最好在0.5左右，一般不要超过0.8，并且尽量使用无极性电容器。而且，在高频应用的情况下，电压降额幅度应进一步加大，对电解电容器更应如此。应特别注意，电容器有低压失效的问题，对于普通铝电解电容器和无极性电容的电压降额不低于0.3，但钽电容的电压降额应在0.3以下。电压降额不能太多，否则电容器的失效率将上升。
  
5.1.3电阻器、电位器

电阻器、电位器的负荷率要小于0.5,此为电阻器设计的上限值；但是大量试验证明，当电阻器降额数低于0.1时，将得不到预期的效果，失效率有所增加，电阻降额系数以0.1为可靠性降额设计的下限值。

总之，对各种元器件的负荷率只要有可能，一般应保持在0.3左右。最好不要超过0.5。这样的负荷率，对电源系统造成不可靠的机率是非常小的。  

5.2 电源的热设计

开关电源内部过高的温升将会导致温度敏感的半导体器件、电解电容等元器件的失效。当温度超过一定值时，失效率呈指数规律增加。有统计资料表明，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，温度是影响开关电源可靠性的最重要的因素。高频开关电源有大功率发热器件，温度更是影响其可靠性的最重要的因素之一，完整的热设计包括两个方面：一 如何控制发热源的发热量；二 如何将热源产生的热量散出去。使开关电源的温升控制在允许的范围之内，以保证开关电源的可靠性。下面将从这两个方面论述。  

5.2.1 控制发热量的设计

开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管、功率二极管、高频变压器、滤波电感等。不同器件有不同的控制发热量的方法。功率管是高频开关电源中发热量较大的器件之一，减小它的发热量，不仅可以提高功率管的可靠性，而且可以提高开关电源的可靠性，提高平均无故障时间（MTBF）。开关管的发热量是由损耗引起的，开关管的损耗由开关过程损耗和通态损耗两部分组成，减小通态损耗可以通过选用低通态电阻的开关管来减小通态损耗；开关过程损耗是由于栅电荷大小及开关时间引起的，减小开关过程损耗可以选择开关速度更快、恢复时间更短的器件来减少。但更为重要的是通过设计更优的控制方式和缓冲技术来减小损耗，如采用软开关技术，可以大大减小这种损耗。减小功率二极管的发热量，对交流整流及缓冲二极管，一般情况下不会有更好的控制技术来减小损耗，可以通过选择高质量的二极管来减小损耗。对于变压器二次侧的整流可以选择效率更高的同步整流技术来减小损耗。对于高频磁性材料引起的损耗，要尽量避免趋肤效应，对于趋肤效应造成的影响，可采用多股细漆包线并绕的办法来解决。   
  
5.2.2 开关电源的散热设计

MOS管导通时有一定的压降，也即器件有一定的损耗，它将引起芯片的温升，但是器件的发热情况与其耐热能力和散热条件有关。由此，器件功耗有一定的容限。其值按热欧姆定律可表示为：

PD="Tj-Tc/RT"

式中，Tj 是额定结温（Tj=150℃），Tc是壳温，RT是结到管壳间的稳态热阻，Tj代表器件的耐热能力，Tc和 RT代表器件的散热条件，而PD就是器件的发热情况。它必须在器件的耐热能力和散热条件之间取得平衡。

散热有三种基本方式：热传导、热辐射、热对流。根据散热的方式，可以选自然散热：加装散热器；或选择强制风冷：加装风扇。加装散热器主要利用热传导和热对流，即所有发热元器件均先固定在散热器上，热量通过传导方式传递给散热器，散热器上的热量再通过能流换热的方式由空气带出机箱。实际的散热情况为三种传热方式的综合，可以用牛顿公式来统一表达： =KSг，其中S为散热表面积，K为表面散热系数。表面散热系数通常由试验确定，在一般的工程流体力学中有数据可查。它把传热的三种形式全部统一起来了。

通过 =KSг，我们可以在计算出耗散功率以后，根据允许的温升г来确定散热表面积S，并由此而确定所要选择的散热器。这种计算对于提高开关电源的可靠性、功率密度、性价比等都有重要意义。若采用强制风冷，加装风扇，则对整流模块来说，风扇的MTBF是所有元器件中最低的，一直都是制约整流模块提高MTBF的瓶颈，所以采取各种措施提高散热效率来延长风扇寿命具有重要的意义。
  
6结语

本文简要阐述了负荷率及温度对开关电源可靠性的影响，大量实验证明了开关电源的负荷率设计是否合理对开关电源的可靠性有重要影响，最后分析了开关电源发热和散热两方面的情况，优先采用降低发热的各种技术，同时提高散热效果，许多厂家都采用这种设计思想，取得了很好的效果。电源设备可靠性的高低，不仅与电气设计，而且同器件、结构、装配、工艺等方面有关。本文主要从元器件的负荷率及温度对开关电源可靠性的影响进行了阐述，为从事开关电源设计的技术人员提供一些借鉴的设计方法。