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开关电源可靠性设计研究
[发布时间]:2011年11月17日 [来源]:21世纪电源网 [点击率]:5864
【导读】: 1引言电子产品,特别是军用稳压电源的设计是一个系统工程,不但要考虑电源本身参数设计,还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、安全性设计、三防设计等方面。因为任何方面那怕是最微小的疏忽,都可能导致整...

在潮湿和盐雾环境下,铝电解电容会发生外壳腐蚀、容量漂移、漏电流增大等情况,所以在舰船和潮湿环境,最好不要用铝电解电容。由于受空间粒子轰击时,电解质会分解,所以铝电解电容也不适用于航天电子设备的电源中。

钽电解电容温度和频率特性较好,耐高低温,储存时间长,性能稳定可靠,但钽电解电容较重、容积比低、不耐反压、高压品种(>125V)较少、价格昂贵。

关于降额设计:

电子元器件的基本失效率取决于工作应力(包括电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等)。除个别低应力失效的元器件外,其它均表现为工作应力越高,失效率越高的特性。
为了使元器件的失效率降低,所以在电路设计时要进行降额设计。降额程度,除可靠性外还需考虑体积、重量、成本等因素。不同的元器件降额标准亦不同,实践表明,大部分电子元器件的基本失效率取决于电应力和温度,因而降额也主要是控制这两种应力,以下为开关电源常用元器件的降额系数:

①电阻的功率降额系数在0.1~0.5之间。
②二极管的功率降额系数在0.4以下,反向耐压在0.5以下。
③发光二极管电压降额系数在0.6以下,功率降额系数在0.6以下。
④功率开关管电压降额系数在0.6以下,电流降额系数在0.5以下。
⑤普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数在0.3~0.7之间。
⑥钽电容的电压降额系数在0.3以下。
⑦电感和变压器的电流降额系数在0.6以下。

(4)损耗问题

      

          图1 形成电磁干扰的三个条件

    

                      图2开关电源滤波器示意图

损耗引起的元器件失效取决于工作时间的长短,与工作应力无关。铝电解电容长期在高频下工作会使电解液逐渐损失,同时容量亦同步下降,当电解液损失40%时,容量下降20%;电解液损失90%时,容量下降40%,此时电容器芯子已基本干涸,不能再予使用。为防止发生故障,一般情况下应在图纸上标明铝电解电容器更换的时间,到期强迫更换。

2.5保护电路的设置

为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作,应设置多种保护电路,如防浪涌冲击、过压、欠压、过载、短路、过热等保护电路。

3电磁兼容性(EMC)设计

开关电源因采用脉冲宽度调制(PWM)技术,其脉冲波形呈矩形,上升沿与下降沿均包含大量的谐波成分,另外输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰(EMI),这是影响可靠性的不利因素,因而使电磁兼容性成为系统的重要问题。

如图1所示,产生电磁干扰有三个必要条件:干扰源、传输介质、敏感的接收单元,EMC设计就是破坏这三个条件中的一个。

图1形成电磁干扰的三个条件

对于开关电源而言,主要是抑制干扰源,干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等。EMI按传播途径分为传导干扰和辐射干扰。传导噪声的频率范围很宽,从10kHz~30MHz,我们虽然知道产生干扰的原因,但从效率上来讲,通过控制脉冲波形的上升与下降时间来解决未必是一个好办法,解决办法之一是加装电源EMI滤波器、输出滤波器及吸收电路,参见图2。电源EMI滤波器实际上是一种低通滤波器,它毫无衰减地把50Hz或400Hz交流电能传递给电子设备,却大大衰减传入的干扰信号,同时又能抑制设备本身产生的干扰信号,防止它窜入电网,危害公网其它设备。选择EMI滤波器是根据插入损耗的大小来选择滤波器网络结构和元器件参数,根据实际要求选择额定电压、额定电流、漏电流、绝缘电阻、温度条件等参数。电源EMI滤波器最好安装在机壳电源线进口的插座附近。抑制输出噪声的对策基本上按10kHz~150kHz、150kHz~10MHz、10MHz以上三个频段来解决。10kHz~150kHz范围内主要是常态噪声,一般采用通用LC滤波器来解决。150kHz~10MHz范围内主要是共模成分的噪声,通常采用共模抑制滤波器来解决。共模扼流圈要采用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料,电感量在(1~2)mH、电容量在3300pF~4700pF之间,如果控制低频段的噪声,可以适当加大LC的取值。在10MHz以上频率段的对策是改进滤波器的外形。输出整流二极管的反向恢复也会引起电磁干扰,这种情况可以采用RC吸收电路来抑制电流的上升率,通常R在(2~20)Ω之间,C在1000pF~10nF之间,C应选用高频瓷介电容。

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