軍用開關電源可靠性設計研究

摘要

對影響軍用 PWM 型開關穩壓電源可靠性的因素作出較為詳細的分析比較，并從工程實際出發提出一些提高開關電源可靠性的建議。

電子產品，特別是軍用穩壓電源的設計是一個系統工程，不但要考慮電源本身參數設計，還要考慮電氣設計、電磁兼容設計、熱設計、安全性設計、三防設計等方面。因為任何方面哪怕是最微小的疏忽，都可能導致整個電源的崩潰，所以我們應充分認識到電源產品可靠性設計的重要性。

2 開關電源電氣可靠性設計

2.1 供電方式的選擇

集中式供電系統各輸出之間的偏差以及由于傳輸距離的不同而造成的壓差降低了供電質量，而且應用單臺電源供電，當電源發生故障時可能導致系統癱瘓。分布式供電系統因供電單元靠近負載，改善了動態響應特性，供電質量好，傳輸損耗小，效率高，節約能源，可靠性高，容易組成 N ＋ 1 冗余供電系統，擴展功率也相對比較容易。所以采用分布式供電系統可以滿足高可靠性設備的要求。

2.2 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。單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開關管的承壓在兩倍輸入電壓以上，如果按 60 ％降額使用，則使開關管不易選型。在推挽和全橋拓撲中可能出現單向偏磁飽和，使開關管損壞，而半橋電路因為具有自動抗不平衡能力，所以就不會出現這個問題。雙管正激式和半橋電路開關管的承壓僅為電源的最大輸入電壓，即使按 60 ％降額使用，選用開關管也比較容易。在高可靠性工程上一般選用這兩類電路拓撲。

2.3 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，它較電壓控制型有如下優點：逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會因過流而使開關管損壞，大大減小過載與短路的保護；優良的電網電壓調整率；迅捷的瞬態響應；環路穩定，易補償；紋波比電壓控制型小得多。生產實踐表明電流控制型的 50W 開關電源的輸出紋波在 25mV 左右，遠優于電壓控制型。

硬開關技術因開關損耗的限制，開關頻率一般在 350kHz 以下，軟開關技術是應用諧振原理，使開關器件在零電壓或零電流狀態下通斷，實現開關損耗為零，從而可將開關頻率提高到兆赫級水平，這種應用軟開關技術的變換器綜合了 PWM 變換器和諧振變換器兩者的優點，接近理想的特性，如低開關損耗、恒頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制范圍及負載范圍，但是此項技術主要應用于大功率電源，中小功率電源中仍以 PWM 技術為主。

2.4 元器件的選用

因為元器件直接決定了電源的可靠性，所以元器件的選用非常重要。元器件的失效主要集中在以下四個方面：

(1) 制造質量問題

質量問題造成的失效與工作應力無關。質量不合格的可以通過嚴格的檢驗加以剔除，在工程應用時應選用定點生產廠家的成熟產品，不允許使用沒有經過認證的產品。

(2) 元器件可靠性問題

元器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機性質的失效，與質量問題的區別是元器件的失效率取決于工作應力水平。在一定的應力水平下，元器件的失效率會大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩定性差、早期失效等，應進行篩選試驗，這是一種非破壞性試驗。通過篩選可使元器件失效率降低 1 ～ 2 個數量級，當然篩選試驗代價 ( 時間與費用 ) 很大，但綜合維修、后勤保障、整架聯試等還是合算的，研制周期也不會延長。電源設備主要元器件的篩選試驗一般要求：

① 電阻在室溫下按技術條件進行 100 ％測試，剔除不合格品。

② 普通電容器在室溫下按技術條件進行 100 ％測試，剔除不合格品。

③ 接插件按技術條件抽樣檢測各種參數。

④ 半導體器件按以下程序進行篩選：

目檢 → 初測 → 高溫貯存 → 高低溫沖擊 → 電功率老化 → 高溫測試 → 低溫測試 → 常溫測試

篩選結束后應計算剔除率 Q

Q=(n / N)×100%

式中：N—— 受試樣品總數；n—— 被剔除的樣品數；如果 Q 超過標準規定的上限值，則本批元器件全部不準上機，并按有關規定處理。

在符合標準規定時，則將篩選合格的元器件打漆點標注，然后入專用庫房供裝機使用。

(3) 設計問題

首先是恰當地選用合適的元器件：

① 盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件。

② 多采用集成電路，減少分立器件的數目。

③ 開關管選用 MOSFET 能簡化驅動電路，減少損耗。

④ 輸出整流管盡量采用具有軟恢復特性的二極管。

⑤ 應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件。

⑥ 集成電路必須是一類品或者是符合 MIL － M － 38510 、 MIL － S － 19500 標準 B － 1 以上質量等級的軍品。

⑦ 設計時盡量少用繼電器，確有必要時應選用接觸良好的密封繼電器。

⑧ 原則上不選用電位器，必須保留的應進行固封處理。

⑨ 吸收電容器與開關管和輸出整流管的距離應當很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。

在潮濕和鹽霧環境下，鋁電解電容會發生外殼腐蝕、容量漂移、漏電流增大等情況，所以在艦船和潮濕環境，最好不要用鋁電解電容。由于受空間粒子轟擊時，電解質會分解，所以鋁電解電容也不適用于航天電子設備的電源中。

鉭電解電容溫度和頻率特性較好，耐高低溫，儲存時間長，性能穩定可靠，但鉭電解電容較重、容積比低、不耐反壓、高壓品種 (>125V) 較少、價格昂貴。

關于降額設計：

電子元器件的基本失效率取決于工作應力 ( 包括電、溫度、振動、沖擊、頻率、速度、碰撞等 ) 。除個別低應力失效的元器件外，其它均表現為工作應力越高，失效率越高的特性。為了使元器件的失效率降低，所以在電路設計時要進行降額設計。降額程度，除可靠性外還需考慮體積、重量、成本等因素。不同的元器件降額標準亦不同，實踐表明，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應力和溫度，因而降額也主要是控制這兩種應力，以下為開關電源常用元器件的降額系數：

① 電阻的功率降額系數在 0.1 ～ 0.5 之間。

② 二極管的功率降額系數在 0.4 以下，反向耐壓在 0.5 以下。

③ 發光二極管電壓降額系數在 0.6 以下，功率降額系數在 0.6 以下。

④ 功率開關管電壓降額系數在 0.6 以下，電流降額系數在 0.5 以下。

⑤ 普通鋁電解電容和無極性電容的電壓降額系數在 0.3 ～ 0.7 之間。

⑥ 鉭電容的電壓降額系數在 0.3 以下。

⑦ 電感和變壓器的電流降額系數在 0.6 以下。

(4) 損耗問題

損耗引起的元器件失效取決于工作時間的長短，與工作應力無關。鋁電解電容長期在高頻下工作會使電解液逐漸損失，同時容量亦同步下降，當電解液損失 40 ％時，容量下降 20 ％；電解液損失 0 ％時，容量下降 40 ％，此時電容器芯子已基本干涸，不能再予使用。為防止發生故障，一般情況下應在圖紙上標明鋁電解電容器更換的時間，到期強迫更換。

2.5 保護電路的設置

為使電源能在各種惡劣環境下可靠地工作，應設置多種保護電路，如防浪涌沖擊、過壓、欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。

3 電磁兼容性 (EMC) 設計

開關電源因采用脈沖寬度調制 (PWM) 技術，其脈沖波形呈矩形，上升沿與下降沿均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，因而使電磁兼容性成為系統的重要問題。

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、敏感的接收單元， EMC 設計就是破壞這三個條件中的一個。

圖 1 形成電磁干擾的三個條件:

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。EMI 按傳播途徑分為傳導干擾和輻射干擾。傳導噪聲的頻率范圍很寬，從 10kHz ～ 30MHz ，我們雖然知道產生干擾的原因，但從效率上來講，通過控制脈沖波形的上升與下降時間來解決未必是一個好辦法，解決辦法之一是加裝電源 EMI 濾波器、輸出濾波器及吸收電路，參見圖 2 。

電源 EMI 濾波器實際上是一種低通濾波器，它毫無衰減地把 50Hz 或 400Hz 交流電能傳遞給電子設備，卻大大衰減傳入的干擾信號，同時又能抑制設備本身產生的干擾信號，防止它竄入電網，危害公網其它設備。選擇 EMI 濾波器是根據插入損耗的大小來選擇濾波器網絡結構和元器件參數，根據實際要求選擇額定電壓、額定電流、漏電流、絕緣電阻、溫度條件等參數。電源 EMI 濾波器最好安裝在機殼電源線進口的插座附近。抑制輸出噪聲的對策基本上按 10kHz ～ 150kHz 、 150kHz ～ 10MHz 、 10MHz 以上三個頻段來解決。10kHz ～ 150kHz 范圍內主要是常態噪聲，一般采用通用 LC 濾波器來解決。150kHz ～ 10MHz 范圍內主要是共模成分的噪聲，通常采用共模抑制濾波器來解決。共模扼流圈要采用導磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料，電感量在（ 1 ～ 2 ） mH 、電容量在 3300pF ～ 4700pF 之間，如果控制低頻段的噪聲，可以適當加大 LC 的取值。在 10MHz 以上頻率段的對策是改進濾波器的外形。輸出整流二極管的反向恢復也會引起電磁干擾，這種情況可以采用 RC 吸收電路來抑制電流的上升率，通常 R 在 (2 ～ 20)Ω 之間， C 在 1000pF ～ 10nF 之間， C 應選用高頻瓷介電容。

良好的布局和布線技術也是控制噪聲的一個重要手段。為減少噪聲的發生和防止由噪聲導致的誤動作，應注意以下幾點：

① 盡量縮小由高頻脈沖電流所包圍的面積。

② 緩沖電路盡量貼近開關管和輸出整流二極管。

③ 脈沖電流流過的區域遠離輸入輸出端子，使噪聲源和出口分離。

④ 控制電路和功率電路分開，采用單點接地方式，大面積接地容易引起天線作用，所以建議不要采用大面積接地方式。

⑤ 必要時可以將輸出濾波電感安置在地回路上。

⑥ 采用多只低 ESR （等效串聯電阻）的電容并聯濾波。

⑦ 采用銅箔進行低感低阻配線。

⑧ 相鄰印制線之間不應有過長的平行線，走線盡量避免平行，采用垂直交叉方式，線寬不要突變，也不要突然拐角。禁止環形走線。

⑨ 濾波器的輸入和輸出線必須分開。禁止將開關電源的輸入線和輸出線捆扎在一起。

對于輻射干擾主要應用密封屏蔽技術，在結構上實行電磁封閉，要求外殼各部分之間具有良好的電磁接觸，以保證電磁的連續性。目前為減少重量大都采用鋁合金外殼，但鋁合金導磁性能差，因而外殼需要鍍一層鎳或噴涂導電漆，內壁貼覆高導磁率的屏蔽材料。外殼永久連接處用導電膠粘牢或采用連續焊縫結構，需拆卸的可以用導電橡膠條壓緊來保證電磁連續性。導電材料要求導電性能高、有彈性、具有最小的寬厚比。

4 電源設備可靠性熱設計

除了電應力之外，溫度是影響設備可靠性最重要的因素。電源設備內部的溫升將導致元器件的失效，當溫度超過一定值時，失效率將呈指數規律增加，溫度超過極限值時將導致元器件失效。國外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 。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，另外就是選用低功耗的器件，減少發熱器件的數目，加大加粗印制線的寬度，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，這包括采用散熱器、風冷 ( 自然對流和強迫風冷 ) 、液冷 ( 水、油 ) 、熱電致冷、熱管等方法。

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，這不僅使設備的成本和復雜性增加，而且使系統的可靠性下降，另外還增加了噪聲和振動，因而在一般情況下應盡量采用自然冷卻，而不采用風冷、液冷之類的冷卻方式。在元器件布局時，應將發熱器件安放在下風位置或在印制板的上部，散熱器采用氧化發黑工藝處理，以提高輻射率，不允許用黑漆涂覆。噴涂三防漆后會影響散熱效果，需要適當加大裕量。散熱器安裝器件的平面要求光滑平整，一般在接觸面涂上硅脂以提高導熱率。變壓器和電感線圈應選用較粗的導線來抑制溫升。

5 安全性設計

對于電源而言，安全性歷來被確定為最重要的性能之一，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，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主要是防止觸電和燒傷。

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5mA ～ 5mA 之間，我國軍用標準 GJB1412 規定的泄漏電流小于 5mA 。電源設備對地泄漏電流的大小取決于 EMI 濾波器電容 Cy 的容量，如圖 2 所示。從 EMI 濾波器角度出發電容 Cy 的容量越大越好，但從安全性角度出發電容 Cy 的容量越小越好，電容 Cy 的容量根據安全標準來決定。若電容 Cx 的安全性能欠佳，電網瞬態尖峰出現時可能被擊穿，它的擊穿雖然不危及人身安全，但會使濾波器喪失濾波功能。為了防止誤觸電，插頭座原則上產品端 ( 非電源端 ) 為針，電網端 ( 電源端 ) 為孔；電源設備之輸入端為針，輸出端為孔。

為了防止燒傷，對于可能與人體接觸的暴露部件 ( 散熱器、機殼等 ) ，當環境溫度為 25℃ 時，其最高溫度不應超過 60℃ ，面板和手動調節部分的最高溫度不超過 50℃ 。

6 三防設計

三防設計是指防潮設計、防鹽霧設計和防霉菌設計。

在設計時，對于密封有要求的元器件應采取密封措施；對于不可修復的組合裝置可采用環氧樹脂灌封；所用元器件、原材料的吸濕度應較小，不得使用含有棉、麻、絲等易霉制品；對密封機箱、機柜應設置防護網，以防昆蟲和嚙齒動物進入；直接暴露在大氣中裝置的外頂部不應采用凹陷結構，避免積水導致腐蝕；可以選用耐蝕材料，再通過鍍、涂或化學處理使電子設備及其零部件的表面覆蓋一層金屬或非金屬保護膜，隔離周圍介質；在結構上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環境；對印制板及組件表面涂覆專用的三防清漆可以有效地避免導線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性；電感、變壓器應進行浸漆、端封，以防潮氣進入引發短路事故。

7 結語

以上建議只適用于軍用電源，對于商用和工業用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，不僅與電氣設計，而且同元器件、結構、裝配、工藝、加工質量等方面有關。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。