如何保證電源的長期可靠性？

目前市面上的電源模塊品類繁多，初期應(yīng)用都能滿足要求，但隨著時(shí)間的考驗(yàn)就開始經(jīng)不起考驗(yàn)了。電源作為系統(tǒng)核心，絕對(duì)不允許這樣的情況發(fā)生，那么我們?cè)鯓硬拍茉O(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠電源呢?

1、電壓應(yīng)力

電源電壓應(yīng)力是保證電源可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)。在電源中有許多器件都有規(guī)定最大耐壓值，比如：場(chǎng)效應(yīng)管的Vds和Vgs、二極管的反向耐壓、IC的最大VCC電壓以及輸入輸出電容的最大耐壓。所以我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到器件要承受的最大電壓。再根據(jù)電壓選擇適當(dāng)器件，最后再進(jìn)行實(shí)際測(cè)試加以驗(yàn)證。但在測(cè)試時(shí)我們必須測(cè)試電源所有工作狀態(tài)的電壓應(yīng)力，以確保在最惡劣的工作狀態(tài)下也能留出約10%的安全裕量。ZLG輸入沖擊電壓會(huì)做到最大的預(yù)留量，以應(yīng)對(duì)各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所出現(xiàn)的情況，如下圖1所示。

圖1 ZLG電源產(chǎn)品極限特性表

2、電流應(yīng)力

電源電流應(yīng)力往往與熱應(yīng)力密切相關(guān)，比如二極管SK54最大平均電流為5A，但是它是在滿足熱應(yīng)力降額前提下的極限參數(shù)。所以我們選擇器件時(shí)必須要同時(shí)滿足器件的電流應(yīng)力與熱應(yīng)力;在滿足器件熱應(yīng)力的前提下，選擇合適額定電流值的器件方可保證電源可靠性要求。ZLG輸入電流會(huì)做到最大的預(yù)留量，以應(yīng)對(duì)各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所出現(xiàn)的情況，如下所示。

圖2 ZLG電源產(chǎn)品輸入特性表

3、反饋環(huán)路

反饋環(huán)路是電源的重要組成部分，我們?cè)O(shè)計(jì)電源時(shí)必須要保證反饋環(huán)路的穩(wěn)定，如下圖3所示。所以我們?cè)O(shè)計(jì)環(huán)路參數(shù)時(shí)需要保持一定裕度;比如增益裕度一般保持在20db左右，相位裕度保持在45度左右，穿越頻率一般設(shè)置在開關(guān)頻率的1/6，再實(shí)際測(cè)試加以驗(yàn)證環(huán)路的穩(wěn)定性。

圖3 電源反饋環(huán)路

4、磁性元件的磁飽和

我們?cè)谠O(shè)計(jì)反激變壓器以及一些儲(chǔ)能電感時(shí)，設(shè)定最大磁通量Bm尤為關(guān)鍵。由于電源起機(jī)和短路保護(hù)時(shí)最大磁通量Bm大于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的Bm，所以我設(shè)定變壓器的Bm時(shí)需要預(yù)留足夠的裕度。如圖4所示，磁芯溫度為100℃曲線可知Bm=0.35T時(shí)磁芯接近飽和，所以出于對(duì)電源起機(jī)、輸出過流和短路等極限情況考慮，鐵氧體P4材質(zhì)的變壓器的穩(wěn)態(tài)Bm一般小于0.25T。

圖4 磁性元件的磁飽和曲線

5、PWM的死區(qū)時(shí)間

對(duì)于半橋、全橋和LLC諧振等一些H橋或半H橋的拓?fù)潆娫?，PWM的死區(qū)時(shí)間設(shè)定對(duì)電源可靠性至關(guān)重要。實(shí)際上設(shè)定死區(qū)時(shí)間實(shí)則為了避免上、下管直通從而導(dǎo)致電源炸機(jī)，也就是說設(shè)定一段上、下管同時(shí)關(guān)斷的時(shí)間，在上管關(guān)斷后延遲一段時(shí)間再導(dǎo)通下管或在下管關(guān)斷后延遲一段時(shí)間再導(dǎo)通上管，如圖5所示td即為死區(qū)時(shí)間。

圖5 PWM的死區(qū)時(shí)間示意圖

6、電源的軟啟動(dòng)

電源的軟啟動(dòng)對(duì)降低場(chǎng)效應(yīng)管和輸出二極管的尖峰電壓和尖峰電流有很大幫助，從而降低了其電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力。但是對(duì)于LLC諧振電源來說，軟啟動(dòng)對(duì)電源起機(jī)的可靠性非常關(guān)鍵;因?yàn)長LC電源的IC是通過高頻掃描的方式啟動(dòng)的。如圖6所示在IC啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)PWM頻率會(huì)從設(shè)定的最高頻率開始慢慢恢復(fù)正常頻率，恢復(fù)時(shí)間也就是軟啟動(dòng)時(shí)間。在此期間電源工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，軟啟動(dòng)時(shí)間越長，啟動(dòng)越安全;但軟啟動(dòng)時(shí)間過長也會(huì)對(duì)電源帶容性負(fù)載能力和起機(jī)時(shí)間造成影響。

圖6 電源的軟啟動(dòng)示意圖

7、保護(hù)電路

要確保電源可靠性除了做好以上六點(diǎn)以外，相應(yīng)的保護(hù)電路也是不可或缺。保護(hù)電路具體有輸入欠壓保護(hù)、輸入過壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)、輸出短路保護(hù)和輸出過壓保護(hù)等等。為避免輸入電壓過低時(shí)電源出現(xiàn)非正常工作的現(xiàn)象，電源需添加輸入欠壓保護(hù);為避免輸入電壓過高，從而期間電壓應(yīng)力超標(biāo)，電源需添加輸入過壓保護(hù);為避免輸出過流和短路從而導(dǎo)致器件過熱、磁飽和等現(xiàn)象，電源需添加過流保護(hù)和短路保護(hù);為避免電源出現(xiàn)輸出電壓過高導(dǎo)致電源負(fù)載端損壞，電源需添加輸出過壓保護(hù)。

影響電源可靠性因素有很多，這里只談到了其中一部分，比如還有EMC、安規(guī)和過熱保護(hù)等都是影響電源可靠的關(guān)鍵的因素。我們?cè)O(shè)計(jì)電源可能不會(huì)太難，但要想設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的電源絕不會(huì)太容易，設(shè)計(jì)時(shí)只有考慮所有可靠性因素并實(shí)際加以驗(yàn)證，電源才算是穩(wěn)定可靠的電源。