星載開關(guān)電源可靠性設(shè)計(jì)

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?

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。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％測試，剔除不合格品。

③接插件按技術(shù)條件抽樣檢測各種參數(shù)。

④半導(dǎo)體器件按以下程序進(jìn)行篩選：目檢→初測→高溫貯存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測試→低溫測試→常溫測試篩選結(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，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)間的長短，與工作應(yīng)力無關(guān)。比如鋁電解電容長期在高頻下工作會(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。

3 電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)
開關(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)。

對(duì)于開關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開關(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，參見圖1.電源EMI濾波器實(shí)際上是一種LC低通濾波器，它毫無衰減地把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吸收電路來抑制電流的上升率，參見圖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。

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。

②緩沖電路盡量貼近開關(guān)管和輸出整流二極管。

③脈沖電流流過的區(qū)域遠(yuǎn)離輸入輸出端子，使噪聲源和出口分離。

④控制電路和功率電路分開，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。

⑥采用多只低ESR（等效串聯(lián)電阻）的電容并聯(lián)濾波。

⑦采用銅箔進(jìn)行低感低阻配線。

⑧相鄰印制線之間不應(yīng)有過長的平行線，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。禁止將開關(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。

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，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60℃，面板和手動(dòng)調(diào)節(jié)部分的最高溫度不超過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)溫度超過一定值時(shí)，失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加，溫度超過極限值時(shí)將導(dǎo)致元器件失效。國外統(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)線來抑制溫升。

6 結(jié)語
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。總之，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)通過各種試驗(yàn)取得反饋數(shù)據(jù)來完善設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高電源的可靠性。

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