军用开关电源可靠性设计研究

一 .开关电源电气可靠性设计
（1）供电方式的选择
集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供电质量，而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。分布式供电系统因供电单元靠近负载，改善了动态响应特性，供电质量好，传输损耗小，效率高，节约能源，可靠性高，容易组成 N ＋ 1 冗余供电系统，扩展功率也相对比较容易。所以采用分布式供电系统可以满足高可靠性设备的要求。
（2）电路拓扑的选择
开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按 60 ％降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按 60 ％降额使用，选用开关管也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑。
（3）控制策略的选择
在中小功率的电源中，电流型 PWM 控制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。生产实践表明电流控制型的 50W 开关电源的输出纹波在 25mV 左右，远优于电压控制型。
硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在 350kHz 以下，软开关技术是应用谐振原理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了 PWM 变换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以 PWM 技术为主。
二.电源设备可靠性热设计
除了电应力之外，温度是影响设备可靠性最重要的因素。电源设备内部的温升将导致元器件的失效，当温度超过一定值时，失效率将呈指数规律增加，温度超过极限值时将导致元器件失效。国外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 。需要在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升，这就是热设计。热设计的原则，一是减少发热量，即选用更优的控制方式和技术，如移相控制技术、同步整流技术等，另外就是选用低功耗的器件，减少发热器件的数目，加大加粗印制线的宽度，提高电源的效率。二是加强散热，即利用传导、辐射、对流技术将热量转移，这包括采用散热器、风冷 ( 自然对流和强迫风冷 ) 、液冷 ( 水、油 ) 、热电致冷、热管等方法。强迫风冷的散热量比自然冷却大十倍以上，但是要增加风机、风机电源、联锁装置等，这不仅使设备的成本和复杂性增加，而且使系统的可靠性下降，另外还增加了噪声和振动，因而在一般情况下应尽量采用自然冷却，而不采用风冷、液冷之类的冷却方式。在元器件布局时，应将发热器件安放在下风位置或在印制板的上部，散热器采用氧化发黑工艺处理，以提高辐射率，不允许用黑漆涂覆。喷涂三防漆后会影响散热效果，需要适当加大裕量。散热器安装器件的平面要求光滑平整，一般在接触面涂上硅脂以提高导热率。变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升。
三 . 安全性设计
对于电源而言，安全性历来被确定为最重要的性能之一，不安全的产品不但不能完成规定的功能，而且还有可能发生严重事故，造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容主要是防止触电和烧伤。
对于商用设备市场，具有代表性的安全标准有 UL 、 CSA 、 VDE 等，内容因用途而异，容许泄漏电流在 05mA ～ 5mA 之间，我国军用标准 GJB1412 规定的泄漏电流小于 5mA 。电源设备对地泄漏电流的大小取决于 EMI 滤波器电容 Cy 的容量，如图 2 所示。从 EMI 滤波器角度出发电容 Cy 的容量越大越好，但从安全性角度出发电容 Cy 的容量越小越好，电容 Cy 的容量根据安全标准来决定。若电容 Cx 的安全性能欠佳，电网瞬态尖峰出现时可能被击穿，它的击穿虽然不危及人身安全，但会使滤波器丧失滤波功能。为了防止误触电，插头座原则上产品端 ( 非电源端 ) 为针，电网端 ( 电源端 ) 为孔；电源设备之输入端为针，输出端为孔。为了防止烧伤，对于可能与人体接触的暴露部件 ( 散热器、机壳等 ) ，当环境温度为 25℃时，其最高温度不应超过 60℃，面板和手动调节部分的最高温度不超过 50℃。
四 . 三防设计
三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。在设计时，对于密封有要求的元器件应采取密封措施；对于不可修复的组合装置可采用环氧树脂灌封；所用元器件、原材料的吸湿度应较小，不得使用含有棉、麻、丝等易霉制品；对密封机箱、机柜应设置防护网，以防昆虫和啮齿动物进入；直接暴露在大气中装置的外顶部不应采用凹陷结构，避免积水导致腐蚀；可以选用耐蚀材料，再通过镀、涂或化学处理使电子设备及其零部件的表面覆盖一层金属或非金属保护膜，隔离周围介质；在结构上采用密封或半密封形式来隔绝外部不利环境；对印制板及组件表面涂覆专用的三防清漆可以有效地避免导线之间的电晕、击穿，提高电源的可靠性；电感、变压器应进行浸漆、端封，以防潮气进入引发短路事故。
五结语
以上建议只适用于军用电源，对于商用和工业用产品可以在某些方面作出不同的选择。总之，电源设备可靠性的高低，不仅与电气设计，而且同元器件、结构、装配、工艺、加工质量等方面有关。可靠性是以设计为基础，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电源的可靠性。