開關(guān)電源是各種系統(tǒng)的核心部分。開關(guān)電源的需求越來越大，同時(shí)對(duì)可靠性提出了越來越高的要求。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，在開關(guān)電源故障原因中占80％左右。減少這兩方面造成的開關(guān)電源故障，具有重要的意義。總之，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)。

影響開關(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)開關(guān)電源的影響也很大，下面將從這兩方面分析，如何設(shè)計(jì)出高可靠的開關(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。

1、環(huán)境溫度對(duì)元器件的影響

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。

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）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。

2、負(fù)荷率對(duì)元器件的影響

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。

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。

可靠性設(shè)計(jì)的原則

• 可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)包含定量的可靠性要求。

• 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。

• 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)。

• 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。

• 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。

• 原則上要盡一切可能減少元器件使用數(shù)目。

• 在同等體積下盡量采用高額度的元器件。

• 選用高質(zhì)量等級(jí)的元器件。

• 原則上不選用電解電容。

• 對(duì)電源進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，控制環(huán)境溫度，不致溫度過高，導(dǎo)致元器件失效率增加。

• 盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。

• 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。

可靠性設(shè)計(jì)

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)，根據(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。

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)，開關(guān)電源仍能正常工作。

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0.8，并且盡量使用無極性電容器。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題，對(duì)于普通鋁電解電容器和無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。

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。

2、電源的熱設(shè)計(jì)

開關(guān)電源內(nèi)部過高的溫升將會(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，溫度是影響開關(guān)電源可靠性的最重要的因素。高頻開關(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：如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量；如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。使開關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內(nèi)，以保證開關(guān)電源的可靠性。

1）控制發(fā)熱量的設(shè)計(jì)

開關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開關(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，而且可以提高開關(guān)電源的可靠性，提高平均無故障時(shí)間（MTBF）。

開關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的，開關(guān)管的損耗由開關(guān)過程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成，減小通態(tài)損耗可以通過選用低通態(tài)電阻的開關(guān)管來減小通態(tài)損耗；開關(guān)過程損耗是由于柵電荷大小及開關(guān)時(shí)間引起的，減小開關(guān)過程損耗可以選擇開關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件來減少。

但更為重要的是通過設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來減小損耗，如采用軟開關(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)來減小損耗，可以通過選擇高質(zhì)量的二極管來減小損耗。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解決。

2）開關(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，熱量通過傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過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，可以用牛頓公式來統(tǒng)一表達(dá)：??=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)一起來了。

通過?=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)于提高開關(guān)電源的可靠性、功率密度、性價(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)整流模塊來說，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MTBF的瓶頸，所以采取各種措施提高散熱效率來延長(zhǎng)風(fēng)扇壽命具有重要的意義。