星載開關(guān)電源可靠性設(shè)計(jì)

標(biāo)簽：模擬 電子 IT 半導(dǎo)體

1 引言

電子產(chǎn)品，特別是星載開關(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。

2 開關(guān)電源電氣可靠性設(shè)計(jì)

2.1 電路拓?fù)涞倪x擇

開關(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)?。為避免開關(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。 硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率一般在400kHz以下;軟開關(guān)技術(shù)利用諧振原理使開關(guān)器件在零電壓開通或零電流關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可使開關(guān)頻率達(dá)到兆赫級(jí)水平。但是軟開關(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：

(1)產(chǎn)品質(zhì)量質(zhì)量問題造成的失效與工作應(yīng)力無關(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，不允許使用沒有經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品。

(2)元器件可靠性

元器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機(jī)性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問題的區(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：①電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100%測(cè)試，剔除不合格品。

②普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100%測(cè)試，剔除不合格品。

③接插件按技術(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，然后入專用庫房供裝機(jī)使用。

(3)設(shè)計(jì)(i)元器件的選用：

①盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。

②多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目。

③開關(guān)管選用MOSFET能簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，減少損耗。

④輸出整流管盡量采用具有軟恢復(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。

⑥集成電路必須是一類品或者是符合MIL-M-38510、MIL-S-19500標(biāo)準(zhǔn)B-1以上質(zhì)量等級(jí)的軍品。

⑦設(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。

⑧原則上不選用電位器，必須保留的應(yīng)進(jìn)行固封處理。

⑨吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過高頻電流，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。

(ii)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，以下為開關(guān)電源常用元器件的降額系數(shù)：①電阻的功率降額系數(shù)在0.1～0.5之間。

②二極管的功率降額系數(shù)在0.4以下，反向耐壓在0.5以下。

③發(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。

④功率開關(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。

⑤普通鋁電解電容和無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。

⑦電感和變壓器的電流降額系數(shù)在0.6以下。

(4)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、過壓、欠壓、過載、短路、過熱等保護(hù)電路。