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[资料] 开关电源的可靠性设计及元器件选型/负荷率介绍

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发表于 2021-11-23 15:26:06 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
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。

1、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/n0 0≤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
<t<工作寿命<t<工作寿命< p=""></t<工作寿命<t<工 作寿命<>
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。

2、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。UD为使用电压;UR为额定电压。

3、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。
3.1可靠性设计指标应包含定量的可靠性要求。
3.2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。
3.3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。
3.4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。
3.5对于关键性元器件,采用并联方式,保证此单元有足够的冗余度。
3.6 原则上要尽一切可能减少元器件使用数目。
3.7在同等体积下尽量采用高额度的元器件。
3.8 选用高质量等级的元器件。
3.9 原则上不选用电解电容。
3.10 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。
3.11 尽量选用硅半导体器件,少用或不用锗半导体器件。
3.12 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。

4、可靠性设计
4.1 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,根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。
4.1.1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。
4.1.2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。
4.1.3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。

4.2 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。
4.2.1 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。

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