1 引言

　　電子產(chǎn)品，特別是星載開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程,，不但要考慮電源本身參數(shù)設(shè)計(jì),，還要考慮電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì),、安全性設(shè)計(jì),、熱設(shè)計(jì)等方面。因?yàn)槿魏畏矫婺呐率菢O微小的疏忽,，都有可能導(dǎo)致整個(gè)星載電源甚至整顆衛(wèi)星的崩潰,，所以星載電源產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)極關(guān)重要?！?/p>

　　2 開(kāi)關(guān)電源電氣可靠性設(shè)計(jì)

　　2.1 電路拓?fù)涞倪x擇

　　開(kāi)關(guān)電源一般采用buck型,、boost型、Cuk型,、雙管正激型,、雙管反激型、單端正激型,、單端反激型,、推挽型,、半橋型,、全橋型等十種拓?fù)洹楸苊忾_(kāi)關(guān)管承受兩倍直流輸入電壓并考慮到降額使用,，一般采用雙管正激型和半橋型電路,。而推挽型和全橋型拓?fù)潆m然也承受單倍直流輸入電壓，但可能出現(xiàn)單向偏磁飽和,，使開(kāi)關(guān)管損壞,，故在高可靠性工程上一般選用雙管正激型和半橋型電路拓?fù)洹,！?/p>

　　2.2 控制方法的選擇

　　電流型PWM控制較電壓控制型有如下優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)對(duì)稱校正,、固有的電流限制、簡(jiǎn)單的 回路補(bǔ)償,、紋波比電壓控制型小得多和良好的并聯(lián)工作能力,。 硬開(kāi)關(guān)技術(shù)因開(kāi)關(guān)損耗的限制,，開(kāi)關(guān)頻率一般在400kHz以下；軟開(kāi)關(guān)技術(shù)利用諧振原理使開(kāi)關(guān)器件在零電壓開(kāi)通或零電

流關(guān)斷,，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗為零,，從而可使開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到兆赫級(jí)水平。但是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)主要應(yīng)用于大功率電源,，中小功率電源中仍以PWM技術(shù)為主,。　

　　2.3 元器件的選用

　　元器件直接決定了電源的可靠性,，元器件的失效主要集中在以下四個(gè)方面：　

　?。?）產(chǎn)品質(zhì)量

　　質(zhì)量問(wèn)題造成的失效與工作應(yīng)力無(wú)關(guān)。在衛(wèi)星工程應(yīng)用時(shí)選用定點(diǎn)生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品,，不允許使用沒(méi)有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的產(chǎn)品,。　

　?。?）元器件可靠性

　　元器件可靠性問(wèn)題即基本失效率的問(wèn)題,，這是一種隨機(jī)性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問(wèn)題的區(qū)別是元器件的失效率取決于工作應(yīng)力水平,。應(yīng)先對(duì)元器件進(jìn)行應(yīng)力篩選試驗(yàn),，通過(guò)篩選可使元器件失效率降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)然篩選試驗(yàn)代價(jià)(時(shí)間與費(fèi)用)很大,，但綜合各方面因素還是合算的,，研制周期也不會(huì)延長(zhǎng)。電源設(shè)備主要元器件的篩選試驗(yàn)一般要求：
　　?、匐娮柙谑覝叵掳醇夹g(shù)條件進(jìn)行100％測(cè)試,，剔除不合格品。
　　?、谄胀娙萜髟谑覝叵掳醇夹g(shù)條件進(jìn)行100％測(cè)試,，剔除不合格品。
　　?、劢硬寮醇夹g(shù)條件抽樣檢測(cè)各種參數(shù),。
　　　④半導(dǎo)體器件按以下程序進(jìn)行篩選：
　　　目檢→初測(cè)→高溫貯存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測(cè)試→低溫測(cè)試→常溫測(cè)試

　　篩選結(jié)束后應(yīng)計(jì)算剔除率Q
　　Q=(n / N)×100%　
　　式中：N——受試樣品總數(shù),；
　　　　　n——被剔除的樣品數(shù),；　

　　如果Q超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，則本批元器件全部不準(zhǔn)上機(jī),，并按有關(guān)規(guī)定處理,。

　　在符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，則將篩選合格的元器件打漆點(diǎn)標(biāo)注，然后入專用庫(kù)房供裝機(jī)使用,。

　?。?）設(shè)計(jì)

　　（i）元器件的選用：　

　?、俦M量選用硅半導(dǎo)體器件,，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。
　?、诙嗖捎眉呻娐?，減少分立器件的數(shù)目。
　?、坶_(kāi)關(guān)管選用MOSFET能簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路,，減少損耗。
　?、茌敵稣鞴鼙M量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管,。
　　⑤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,。
　?、藜呻娐繁仨毷且活惼坊蛘呤欠螹IL－M－38510、MIL－S－19500標(biāo)準(zhǔn)B－1以上質(zhì)量等級(jí)的軍品,。
　?、咴O(shè)計(jì)時(shí)盡量少用繼電器，確有必要時(shí)應(yīng)選用接觸良好的密封繼電器,。
　?、嘣瓌t上不選用電位器，必須保留的應(yīng)進(jìn)行固封處理,。
　?、嵛针娙萜髋c開(kāi)關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過(guò)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。由于受空間粒子轟擊時(shí),，電解質(zhì)會(huì)分解，所以鋁電解電容也不適用于航天電子設(shè)備的電源中,。鉭電解電容溫度和頻率特性較好,，耐高低溫，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，性能穩(wěn)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(jià)格昂貴?！?/p>

　?。╥i）降額設(shè)計(jì)：

　　電子元器件的基本失效率取決于工作應(yīng)力(包括電、溫度,、振動(dòng),、沖擊、頻率,、速度,、碰撞等)。不同的元器件降額標(biāo)準(zhǔn)亦不同,，實(shí)踐表明,，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應(yīng)力和溫度，因而降額也主要是控制這兩種應(yīng)力,，以下為開(kāi)關(guān)電源常用元器件的降額系數(shù)：
?、匐娮璧墓β式殿~系數(shù)在0.1～0.5之間。
?、诙O管的功率降額系數(shù)在0.4以下,，反向耐壓在0.5以下。
?、郯l(fā)光二極管電壓降額系數(shù)在0.6以下,，功率降額系數(shù)在0.6以下。
?、芄β书_(kāi)關(guān)管電壓降額系數(shù)在0.6以下,，電流降額系數(shù)在0.5以下。
?、萜胀ㄤX電解電容和無(wú)極性電容的電壓降額系數(shù)在0.3～0.7之間,。
　⑥鉭電容的電壓降額系數(shù)在0.3以下,。
?、唠姼泻妥儔浩鞯碾娏鹘殿~系數(shù)在0.6以下。

?。?）損耗

　 損耗引起的元器件失效取決于工作時(shí)間的長(zhǎng)短,，與工作應(yīng)力無(wú)關(guān)。 比如鋁電解電容長(zhǎng)期在高頻下工作會(huì)使電解液逐漸損失，同時(shí)容量亦同步下降,，當(dāng)電解液損失40％時(shí),，容量下降20％。為防止發(fā)生故障,，應(yīng)在圖紙上標(biāo)明鋁電解電容器更換的時(shí)間,，到期強(qiáng)迫更換。

　　2.4 保護(hù)電路的設(shè)置

　　為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作,，應(yīng)設(shè)置多種保護(hù)電路,，如防浪涌沖擊、過(guò)壓,、欠壓,、過(guò)載、短路,、過(guò)熱等保護(hù)電路,。　

　　3 電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)

　　開(kāi)關(guān)電源因采用PWM技術(shù),，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，輸出整流管的反向恢復(fù)也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI),，這是影響可靠性的不利因素,，故電磁兼容性成為系統(tǒng)的重要問(wèn)題。產(chǎn)生電磁干擾有三個(gè)途徑：干擾源,、傳輸介質(zhì),、接收單元。EMC設(shè)計(jì)就是破壞這三個(gè)途徑中的一個(gè),?！?/p>

　　對(duì)于開(kāi)關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源,，干擾源集中在開(kāi)關(guān)電路與輸出整流電路,。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù),、屏蔽技術(shù),、接地技術(shù)、密封技術(shù)等,。EMI按傳播途徑分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾,。傳導(dǎo)噪聲的頻率范圍很寬，從10kHz～30MHz,，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(jiàn)圖1,。電源EMI濾波器實(shí)際上是一種LC低通濾波器,，它毫無(wú)衰減地把50Hz或400Hz交流電能傳遞給電子設(shè)備，卻大大衰減傳入的干擾信號(hào),，同時(shí)又能抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的干擾信號(hào),，電源EMI濾波器最好安裝在機(jī)殼電源線進(jìn)口的插座附近。輸出整流二極管的反向恢復(fù)也會(huì)引起電磁干擾,，這種情況可以采用RC吸收電路來(lái)抑制電流的上升率,，參見(jiàn)圖1，通常R在(2～20)Ω之間,，C在1000pF～10nF之間,，C應(yīng)選用高頻瓷介電容?！?/p>

　　良好的布局和布線技術(shù)也是控制噪聲的一個(gè)重要手段,。為減少噪聲的發(fā)生和防止由噪聲導(dǎo)致的誤動(dòng)作，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：　

　       ①盡量縮小由高頻脈沖電流所包圍的面積,。
　　?、诰彌_電路盡量貼近開(kāi)關(guān)管和輸出整流二極管。
　　?、勖}沖電流流過(guò)的區(qū)域遠(yuǎn)離輸入輸出端子,，使噪聲源和出口分離。
　　?、芸刂齐娐泛凸β孰娐贩珠_(kāi),，采用單點(diǎn)接地方式，大面積接地容易引起天線效應(yīng),，故不要采用大面積接地方式,。
　　　⑤必要時(shí)可以將輸出濾波電感安置在地回路上,。
　　?、薏捎枚嘀坏虴SR（等效串聯(lián)電阻）的電容并聯(lián)濾波。
　　?、卟捎勉~箔進(jìn)行低感低阻配線,。
　　　⑧相鄰印制線之間不應(yīng)有過(guò)長(zhǎng)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,，也不要有直角拐彎,。禁止環(huán)形走線,。
　　　⑨濾波器的輸入和輸出線必須分開(kāi),。禁止將開(kāi)關(guān)電源的輸入線和輸出線捆扎在一起,。　

　　對(duì)于輻射干擾主要應(yīng)用密封屏蔽技術(shù),，在結(jié)構(gòu)上實(shí)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(xù)性,。目前衛(wèi)星電源產(chǎn)品大都采用鋁合金外殼,，但鋁合金導(dǎo)磁性能差，外殼需要鍍一層鎳或噴涂導(dǎo)電漆,，內(nèi)壁貼覆高導(dǎo)磁率的屏蔽材料,。外殼永久連接處用導(dǎo)電膠粘牢或采用連續(xù)焊縫結(jié)構(gòu)，需拆卸的可以用導(dǎo)電橡膠條壓緊來(lái)保證電磁連續(xù)性,。導(dǎo)電材料要求導(dǎo)電性能高,、有彈性、具有最小的寬厚比,?！?/p>

　　4 安全性設(shè)計(jì)

　　就電源產(chǎn)品而言，必須進(jìn)行安全性設(shè)計(jì),，對(duì)衛(wèi)星電源尤其如此,。電源產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是防止觸電和燒傷。對(duì)于商用設(shè)備市場(chǎng),，具有代表性的安全標(biāo)準(zhǔn)有UL,、CSA、VDE,、CCC等,，內(nèi)容因用途而異，容許泄漏電流在0.5mA～5mA之間,，我國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5mA,。電源設(shè)備對(duì)地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器電容Cy的容量。從EMI濾波器角度出發(fā)電容Cy的容量越大越好,，但從安全性角度出發(fā)電容Cy的容量越小越好,，電容Cy的容量根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定。若電容Cy的安全性能欠佳,，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時(shí)可能被擊穿,，它的擊穿雖然不危及人身安全，但會(huì)使濾波器喪失濾波功能,。

　　為了防止誤觸電,，插頭座原則上產(chǎn)品端(非電源端)為針,，電網(wǎng)端(電源端)為孔；電源設(shè)備之輸入端為針,，輸出端為孔,。　

　　為了防止燒傷,，對(duì)于可能與人體接觸的暴露部件(散熱器,、機(jī)殼等),，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí),，其最高溫度不應(yīng)超過(guò)60℃，面板和手動(dòng)調(diào)節(jié)部分的最高溫度不超過(guò)50℃,。

　　5熱設(shè)計(jì)

　　除了電應(yīng)力之外,，溫度是影響設(shè)備可靠性最重要的因素。電源設(shè)備內(nèi)部的溫升將導(dǎo)致元器件的失效,，當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí),，失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加，溫度超過(guò)極限值時(shí)將導(dǎo)致元器件失效,。國(guó)外統(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,。這就需要進(jìn)行熱設(shè)計(jì),，熱設(shè)計(jì)的原則，一是減少發(fā)熱量,，即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù),，如同步整流技術(shù)、移相控制技術(shù)等,，另外就是選用低功耗的器件,，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度,，提高電源的效率,。二是加強(qiáng)散熱，即利用傳導(dǎo),、對(duì)流,、輻射原 理將熱量轉(zhuǎn)移，包括采用散熱器,、風(fēng)冷(自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷),、液冷(水、油),、熱電致冷,、熱管等方法,。　

　　強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱量雖比自然冷卻大十倍以上,，但是由于風(fēng)機(jī)產(chǎn)生了噪聲和振動(dòng),，故在一般情況下應(yīng)盡量采用自然冷卻，星載電源不采用風(fēng)冷,、液冷之類的冷卻方式,。在元器件布局時(shí)，應(yīng)將發(fā)熱器件安放在下風(fēng)位置或在印制板的上部,，散熱器采用氧化發(fā)黑工藝處理,，以提高輻射率，不允許用黑漆涂覆,。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(dǎo)熱率。變壓器和電感線圈應(yīng)選用較粗的導(dǎo)線來(lái)抑制溫升,。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　以上建議只適用于星載電源,，對(duì)于商用和工業(yè)用產(chǎn)品可以在某些方面作出不同的選擇?？傊?，電源設(shè)備可靠性的高低，不僅與電氣設(shè)計(jì),，而且同元器件,、結(jié)構(gòu)、工藝,、裝配,、加工質(zhì)量等方面有關(guān)?？煽啃允且栽O(shè)計(jì)為基礎(chǔ),，在實(shí)際工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過(guò)各種試驗(yàn)取得反饋數(shù)據(jù)來(lái)完善設(shè)計(jì),，進(jìn)一步提高電源的可靠性,。