看懂这七点 大大提高电源产品开发可靠性

发布日期:2017-04-02 12:42,查看次数:556

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。

  1 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。

  1.2 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%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

  在中小功率的电源中,电流型PWM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。

  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。

  1.6 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。

  2 电磁兼容性(EMC)设计技术

  开关电源多采用脉冲宽度调制(PWM)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电磁干扰(EMI),这是影响可靠性的不利因素,这使得系统具有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。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等技术。

3 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。

  4 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损失。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,如图二所示。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0.1μF,400Hz设备小于0.02μF。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。


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