开关电源可靠性设计分析

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【摘要】现代社会的发展，各项科技均在不断的更新换代。电子产品的出现逐步改变了人们的生活方式、生活环境及工作状态。信息技术的发展及集成电路的研发，使得电子产品逐步转变为自动化、智能化，而开关电源属于电子系统中极为重要的构成部分，其不仅出于连续的工作状态中，也需要面对恶劣的工作环境，其在运行的过程中一般不允许检修，而只能进行简单的维护。电源的可靠性对于整个电子系统的运行有着重要的影响。现代人们对于电子产品及电子系统的要求逐步升高，相应的对于开关电源可靠性也提出了更高的要求。国内电子产品与国外先进电子产品的差距不仅仅体现在功能及性能方面，也集中体现在质量及可靠性方面，如果不对电源实施可靠性设计，电子产品会出现许多的缺点，影响其各个方面的性能。本文简单分析了电源开关可靠性的指标，并阐述了电源开关可靠性设计的基本内容，包括合理选择电路拓扑、校正功率因数、合理的供电方式、控制策略、元器件的选用等，为电子系统电源开关的设计人员提供一定的参考与借鉴。

【关键词】电子产品；电子系统；电源开关；可靠性；设计原则；研究

0.前言

现代科学技术水平不断提升，电子产品的换新换代也十分迅速，人们生活水平的提高，各个企业的竞争压力不断加剧，对于各类电子产品的质量、可靠性等均有了较高的要求。电源开关是电子系统中极为重要的构成部分，且运行时间长，其可靠性直接关系到电子产品的质量。一般国际认为可靠性是在一定的环境条件中，及规定的时间内，完成相应功能的能力，该内容适应性较为广阔，包括系统、设备、单元。其中故障的出现具有较大的随机性，而需要在设计的过程中即考虑到其可靠性的因素，对其的研究是十分有必要的。

1.合理选择电路拓扑

开关电源的拓扑形势较为丰富，一般常见的类型包括单端反激式、正激式、双单端正激式、双管正激式、双正激式、半桥式、推挽式、全桥式等。其选择推挽式或者全桥拓扑时，可能会产生单向偏磁饱和的现象，损害到开关管，而半桥电路能够自动抗不平衡，因此不会出现开关管损坏的情况。双单端正激式、中单端正激式、单端反激式、推挽式的开关管的承压能力是输入电压的两倍，在使用过程中如果是以60%降额使用，开关管的选型存在一定的困难。双管正激式、半桥电路开关管的承压能力有限，一般是电源的最大输入电压，按照60%降额使用，开关管的选用范围较为广阔。如果是进行高可靠性工程中，应选择双管正激式和半桥电路开关管，质量较为良好[1]。

2.校正功率因数

开关电源在运行过程中会产生谐波，对电网造成一定的污染，其周围的设备也会受到较大的影响，甚至损害到设备，影响其正常使用，或者在使用三相四线制的过程中，电流较大，容易出现事故，需要选择功率因素校正能力的开关电源，保障其运行的安全性。

3.合理的供电方式

根据供电形式的不同，可以将供电方式分为两个不同的类型，即集中式供电系统和分布式供电系统，二者的性质、特点、适应情况等均有较大的差异。其中分布式供电系统供电单元与负载的距离较近，优化了动态响应特性，且供电较为稳定，在传输过程中电能的损耗较少，效率良好，可靠性较高，也具有扩展功率的特点，因此一般电子系统会才采用分布式供电系统，设备的可靠性要求高也能够达到标准[2]。

4.控制策略的制定

针对不用的情况 ，需要合理选择电源开关的控制措施，才能到达良好的可靠性效果。如果电源的功率较小，一般情况下会采用电流型PWM控制，相较电压型控制，其能够逐周期对电流实施有效的限制，控制速度更快，且不会出现过流损坏开关管的问题，降低过载，防止出现短路的问题，且环路稳定，容易补偿，纹波也较小，并电网电压调整率良好，瞬态响应效率高。实践证明，电流控制的50W开关电源，其输出纹波约为25mV，电压控制性开关电源比电压控制型开关电源性能更加优越。由于开关损耗的影响，硬开关技术开关频率一般不会超过350kHz，软开关技术则是以谐振为基本原理，大幅度减少了开关的损耗，并能够提高开关频率，并达到兆赫级水平。运用了软开关技术的变换器，其具有较多的优点，包括开关损耗低、恒频控制、储能元件尺寸良好的适应性、控制范围较为广阔、负载的范围较大等，但是其有存在一定的局限性，即其无法应用于中小功率电源中，中小电源一般采用PWM技术，只能应用于功率较大的电源中[3]。

5.元器件的选用

元器件的各项质量、性能等对于开关电源的可靠性有着直接的决定作用，在选择时需要严格遵循一定的原则，才能够在保障开关电源的质量，具体原则有以下几点：①严格做好质量控制元器件的质量因素引起的开关电源的失效与工作应力没有直接的关系，因此需要选择质量良好的元器件，元器件在使用前需要进行严格的检验，将质量不达标的排除掉；②按照规范严格筛选元器件 相较锗半导体器件，硅半导体器件性能更加良好，因此应选择硅半导体器件。尽量选择集成电路，减少分立器件的数量，电路更加简单，也能够降低故障风险。开关管应选择金氧半场效晶体管，其驱动电路更加简单，损耗也更少。输出整流管应使用二极管，其软恢复性较为良好。金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件相较塑料封装的器件质量更加良好，因此需要避免使用塑料封装的器件。一般情况不使用继电器，如果条件限制，需要使用继电器，应选择接触良好的密封继电器。一般不使用电位器，如果需要保留电位器，需要对其实施同封处理。由于有高频电流通过，容易升温，需要吸收电容器与开关管和输出整流管的距离不宜过大，且该类电容器需要属于高频，且损耗少，并能够耐高温。③应用环境因素 由于铝电解电容在特殊的情况下，其外壳会被腐蚀，容量不稳定、漏电流增加等问题，包括潮湿的环境、盐雾环境等，因此如果是处于舰船中，或者环境较为潮湿的情况下，尽量避免使用铝电解电容。在航天电子设备的电源中，在空间粒子的轰击下，电解质会被分解，因此也不适合于铝电解电容的使用[4]。

6.设置保护电路

电子系统的开关电源需要在较为复杂的条件下稳定的运行与工作，并出现荷载电压过大、过低、短路故障、高温、浪涌冲击等情况，因此需要设置不同的保护电路，使之能够适应不同的运行环境，能在各种恶劣环境下可靠地工作，提升器运行的稳定性。

7.开关电源的损耗

元器件在工作过程中会出现损耗，运行了较长时间后，损耗较为严重会造成元器件的失效，该现象属于自然损耗老化，工作应力对其没有影响。铝电解电容持续长时间处于高频条件下运行，会使得电解液逐渐损失，容量也会随之下降，如果电解液的损失量达到40%，容量则会减少20%；如果电解液的损耗量达到90%，容量则会减少40%，在该情况下，电容器芯子已处于干涸状态，失去了使用功能[5]。

8.总结

电源开关作为电子系统中极为重要的构件，其需要长时间的连续运行，且面临着较为复杂的运行环境。电源开关的特殊性，其无法进行相应的检修，而仅仅只能日常维护，因此其也较为容易出现各种故障，直接影响到电子产品的正常使用，需要进行可靠性设计。本文仅从一般的角度分析了电源开关的可靠性设计，在实践的设计活动中还需要设计人员结合实际的要求，不断的提升设计水平，保障电源开关的可靠性，提升电子产品的质量，给企业带来良好的经济效益及社会效益。[科]

【参考文献】

［1］徐小宁.开关电源可靠性设计研究[J].电气传动自动化，2009(03)：27-31.

［2］姚洪平,刘亿文,薛晨光.开关电源可靠性设计研究[J].电子制作，2013(17)：39.

［3］周真,侯长剑,王芳,王丽杰.基于BP神经网络的开关电源可靠性预计[J].电测与仪表，2009(01):64-68.

［4］徐张英,龚祖华,韩朋乐.提高开关电源可靠性电路的研究[J].电源世界，2013(03)：21-23.

［5］李震尧.简述开关电源可靠性指标与改善途径[J].电脑知识与技术，2009(09)：2513-2514.