1 引言
開(kāi)關(guān)電源是各種系統(tǒng)的核心部分。開(kāi)關(guān)電源的需求越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)可靠性提出了越來(lái)越高的要求,。涉及系統(tǒng)可靠性的因素很多,。目前,，人們認(rèn)識(shí)上的主要誤區(qū)是把可靠性完全（或基本上）歸結(jié)于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和環(huán)境溫度對(duì)可靠性的決定性的作用,。據(jù)美國(guó)海軍電子實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，整機(jī)出現(xiàn)故障的原因和各自所占的百分比如表1所示,。
在民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域,，日本的統(tǒng)計(jì)資料表明,，可靠性問(wèn)題80％源于設(shè)計(jì)方面（日本把元器件的選型、質(zhì)量級(jí)別的確定,、元器件的負(fù)荷率等部分也歸入設(shè)計(jì)上的原因）,。以上兩方面的數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)及元器件（元器件的選型,，質(zhì)量級(jí)別的確定,，元器件的負(fù)荷率）的原因造成的故障，在開(kāi)關(guān)電源故障原因中占80％左右,。減少這兩方面造成的開(kāi)關(guān)電源故障,，具有重要的意義?？傊?，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，需要明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念,，把系統(tǒng)的可靠性作為重要的技術(shù)指標(biāo),，認(rèn)真對(duì)待開(kāi)關(guān)電源可靠性的設(shè)計(jì)工作，并采取足夠的措施提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性,，才能使系統(tǒng)和產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定,、可靠的目標(biāo)。本文就從這兩個(gè)方面來(lái)研究與闡述,。
2 系統(tǒng)可靠性的定義及指標(biāo)
國(guó)際上,，通用的可靠性定義為：在規(guī)定條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力,。此定義適用于一個(gè)系統(tǒng),，也適用于一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)單元。描述這種隨機(jī)事件的概率可用來(lái)作為表征開(kāi)關(guān)電源可靠性的特征量和特征函數(shù),。從而,，引出可靠度[R（t）]的定義：系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率,。
如系統(tǒng)在開(kāi)始 （t=0）時(shí)有n0個(gè)元件在工作,，而在時(shí)間為t時(shí)仍有n個(gè)元件在正常工作，
則
可靠性 R(t)=n/n0 0≤R(t) ≤1
失效率 λ(t)= - dinR(t)/dt
λ定義為該種產(chǎn)品在單位時(shí)間內(nèi)的故障數(shù),，即λ=dn/dt,。
如失效率λ為常數(shù)，則
dn/dt=-λt
n=n0e-λt
R(t)=e-λt0
MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）=1/λ
平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）是開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)重要指標(biāo),，用來(lái)衡量開(kāi)關(guān)電源的可靠性,。
3 影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的因素
從各研究機(jī)構(gòu)研究成果可以看出,，環(huán)境溫度和負(fù)荷率對(duì)可靠性影響很大,，這兩個(gè)方面對(duì)開(kāi)關(guān)電源的影響很大,，下面將從這兩方面分析，如何設(shè)計(jì)出高可靠的開(kāi)關(guān)電源,。其中：PD為使用功率,；PR為額定功率主。UD為使用電壓,；UR為額定電壓,。
3.1 環(huán)境溫度對(duì)元器件的影響
3.1.1 環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)體的影響
硅三極管以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)，則環(huán)溫度對(duì)可靠性的影響,，如表2所示,。
由表2可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí),，失效率增加了30倍,。
3.1.2 環(huán)境溫度對(duì)電容器的影響
以UD/UR=0.65使用負(fù)荷設(shè)計(jì) 則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表3所示。
從表3可知,，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí),，失效率增加了14倍。
3.1.3 環(huán)境溫度對(duì)電阻器的影響
以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì),，則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表4所示,。
從表4可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí),，失效率增加了4倍,。
3.2 負(fù)荷率對(duì)元器件的影響
3.2.1 負(fù)荷率對(duì)半導(dǎo)體的影響
當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時(shí)，PD/PR對(duì)失效率的影響如表5所示,。
由表5可知,，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了1000倍,。
3.2.2 負(fù)荷率對(duì)電阻的影響
負(fù)荷率對(duì)電阻的影響如表6所示,。
從表6可以看出，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí),，失效率比PD/PR=0.2時(shí)增加了8倍,。
4 可靠性設(shè)計(jì)的原則
我們可以從上面的分析中得出開(kāi)關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)原則。
4.1可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)包含定量的可靠性要求,。
4.2可靠性設(shè)計(jì)與器件的功能設(shè)計(jì)相結(jié)合,，在滿足器件性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量提高器件的可靠性水平,。
4.3應(yīng)針對(duì)器件的性能水平,、可靠性水平、制造成本,、研制周期等相應(yīng)制約因素進(jìn)行綜合平衡設(shè)計(jì),。
4.4在可靠性設(shè)計(jì)中盡可能采用國(guó),、內(nèi)外成熟的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu),、新工藝和新原理,。
4.5對(duì)于關(guān)鍵性元器件，采用并聯(lián)方式,，保證此單元有足夠的冗佘度,。
4.6 原則上要盡一切可能減少元器件使用數(shù)目。
4.7在同等體積下盡量采用高額度的元器件,。
4.8 選用高質(zhì)量等級(jí)的元器件,。
4.9 原則上不選用電解電容。
4.10 對(duì)電源進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì),，控制環(huán)境溫度,，不致溫度過(guò)高，導(dǎo)致元器件失效率增加,。
4.11 盡量選用硅半導(dǎo)體器件,，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。
4.12 應(yīng)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,。
5 可靠性設(shè)計(jì)
5.1 負(fù)荷率的設(shè)計(jì)
由于負(fù)荷率對(duì)可靠性有重大影響,，故可靠性設(shè)計(jì)重要的一個(gè)方面是負(fù)荷率的設(shè)計(jì)，跟據(jù)元器件的特性及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),，元器件的負(fù)荷率在下列數(shù)值時(shí),，電源系統(tǒng)的可靠性及成本是較優(yōu)的。
5.1.1半導(dǎo)體元器件
半導(dǎo)體元器件的電壓降額應(yīng)在0.6以下,，電流降額系數(shù)應(yīng)在0.5以下,。半導(dǎo)體元器件除負(fù)荷率外還有容差設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí),，應(yīng)適當(dāng)放寬半導(dǎo)體元器件的參數(shù)允許變化范圍,，包括制造容差、溫度漂移,、時(shí)間漂移,、輻射導(dǎo)致的漂移等。以保證半導(dǎo)體元器件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí),，開(kāi)關(guān)電源仍能正常工作,。
5.1.2電容器
電容器的負(fù)荷率（工作電壓和額定電壓之比）最好在0.5左右，一般不要超過(guò)0.8，并且盡量使用無(wú)極性電容器,。而且,，在高頻應(yīng)用的情況下，電壓降額幅度應(yīng)進(jìn)一步加大,，對(duì)電解電容器更應(yīng)如此。應(yīng)特別注意,，電容器有低壓失效的問(wèn)題,，對(duì)于普通鋁電解電容器和無(wú)極性電容的電壓降額不低于0.3，但鉭電容的電壓降額應(yīng)在0.3以下,。電壓降額不能太多,，否則電容器的失效率將上升。
5.1.3電阻器,、電位器
電阻器,、電位器的負(fù)荷率要小于0.5,此為電阻器設(shè)計(jì)的上限值；但是大量試驗(yàn)證明,，當(dāng)電阻器降額數(shù)低于0.1時(shí),，將得不到預(yù)期的效果，失效率有所增加,，電阻降額系數(shù)以0.1為可靠性降額設(shè)計(jì)的下限值,。
總之，對(duì)各種元器件的負(fù)荷率只要有可能,，一般應(yīng)保持在0.3左右,。最好不要超過(guò)0.5。這樣的負(fù)荷率,，對(duì)電源系統(tǒng)造成不可靠的機(jī)率是非常小的,。
5.2 電源的熱設(shè)計(jì)
開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部過(guò)高的溫升將會(huì)導(dǎo)致溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效,。當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí),，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計(jì)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(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6,。除了電應(yīng)力之外,，溫度是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的最重要的因素。高頻開(kāi)關(guān)電源有大功率發(fā)熱器件,，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一,，完整的熱設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：一 如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量；二 如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。使開(kāi)關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內(nèi),，以保證開(kāi)關(guān)電源的可靠性,。下面將從這兩個(gè)方面論述。
5.2.1 控制發(fā)熱量的設(shè)計(jì)
開(kāi)關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管,、功率二極管,、高頻變壓器、濾波電感等,。不同器件有不同的控制發(fā)熱量的方法,。功率管是高頻開(kāi)關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減小它的發(fā)熱量,，不僅可以提高功率管的可靠性,，而且可以提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性，提高平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）,。開(kāi)關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的,，開(kāi)關(guān)管的損耗由開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成，減小通態(tài)損耗可以通過(guò)選用低通態(tài)電阻的開(kāi)關(guān)管來(lái)減小通態(tài)損耗,；開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗是由于柵電荷大小及開(kāi)關(guān)時(shí)間引起的,，減小開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗可以選擇開(kāi)關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件來(lái)減少,。但更為重要的是通過(guò)設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來(lái)減小損耗,，如采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以大大減小這種損耗,。減小功率二極管的發(fā)熱量,，對(duì)交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會(huì)有更好的控制技術(shù)來(lái)減小損耗,，可以通過(guò)選擇高質(zhì)量的二極管來(lái)減小損耗,。對(duì)于變壓器二次側(cè)的整流可以選擇效率更高的同步整流技術(shù)來(lái)減小損耗。對(duì)于高頻磁性材料引起的損耗,，要盡量避免趨膚效應(yīng),，對(duì)于趨膚效應(yīng)造成的影響，可采用多股細(xì)漆包線并繞的辦法來(lái)解決,。
5.2.2 開(kāi)關(guān)電源的散熱設(shè)計(jì)
MOS管導(dǎo)通時(shí)有一定的壓降,，也即器件有一定的損耗，它將引起芯片的溫升,，但是器件的發(fā)熱情況與其耐熱能力和散熱條件有關(guān),。由此，器件功耗有一定的容限,。其值按熱歐姆定律可表示為：
PD="Tj-Tc/RT"
式中,，Tj 是額定結(jié)溫（Tj=150℃）,，Tc是殼溫，RT是結(jié)到管殼間的穩(wěn)態(tài)熱阻,，Tj代表器件的耐熱能力,，Tc和 RT代表器件的散熱條件，而PD就是器件的發(fā)熱情況,。它必須在器件的耐熱能力和散熱條件之間取得平衡,。
散熱有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱輻射,、熱對(duì)流,。根據(jù)散熱的方式，可以選自然散熱：加裝散熱器,；或選擇強(qiáng)制風(fēng)冷：加裝風(fēng)扇。加裝散熱器主要利用熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流,，即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上,，熱量通過(guò)傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過(guò)能流換熱的方式由空氣
帶出機(jī)箱,。實(shí)際的散熱情況為三種傳熱方式的綜合,，可以用牛頓公式來(lái)統(tǒng)一表達(dá)： Ø=KSг，其中S為散熱表面積,，K為表面散熱系數(shù),。表面散熱系數(shù)通常由試驗(yàn)確定，在一般的工程流體力學(xué)中有數(shù)據(jù)可查,。它把傳熱的三種形式全部統(tǒng)一起來(lái)了,。
通過(guò)Ø=KSг，我們可以在計(jì)算出耗散功率以后,，根據(jù)允許的溫升г來(lái)確定散熱表面積S,，并由此而確定所要選擇的散熱器。這種計(jì)算對(duì)于提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性,、功率密度,、性?xún)r(jià)比等都有重要意義。若采用強(qiáng)制風(fēng)冷,，加裝風(fēng)扇,，則對(duì)整流模塊來(lái)說(shuō)，風(fēng)扇的MTBF是所有元器件中最低的,，一直都是制約整流模塊提高M(jìn)TBF的瓶頸,，所以采取各種措施提高散熱效率來(lái)延長(zhǎng)風(fēng)扇壽命具有重要的意義。
6 結(jié) 語(yǔ)
本文簡(jiǎn)要闡述了負(fù)荷率及溫度對(duì)開(kāi)關(guān)電源可靠性的影響,，大量實(shí)驗(yàn)證明了開(kāi)關(guān)電源的負(fù)荷率設(shè)計(jì)是否合理對(duì)開(kāi)關(guān)電源的可靠性有重要影響,，最后分析了開(kāi)關(guān)電源發(fā)熱和散熱兩方面的情況,，優(yōu)先采用降低發(fā)熱的各種技術(shù)，同時(shí)提高散熱效果,，許多廠家都采用這種設(shè)計(jì)思想,，取得了很好的效果。電源設(shè)備可靠性的高低,，不僅與電氣設(shè)計(jì),，而且同器件、結(jié)構(gòu),、裝配,、工藝等方面有關(guān)。本文主要從元器件的負(fù)荷率及溫度對(duì)開(kāi)關(guān)電源可靠性的影響進(jìn)行了闡述,，為從事開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的技術(shù)人員提供一些借鑒的設(shè)計(jì)方法,。
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