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開關電源的可靠性的設計分析


電子產品的質量是技術性和可靠性兩方面的綜合。電源作為一個電子系統中重要的部件,其可靠性決定了整個系統的可靠性,開關電源由于體積小,效率高而在各個領域得到廣泛應用,如何提高它的可靠性是電力電子技術的一個重要方面。
1、開關電源電氣可靠性工程設計技術
1.1供電方式的選擇
供電方式一般分為:集中式供電系統和分布式供電。現代電力電子系統一般采用采用分布式供電系統,以滿足高可靠性設備的要求。
1.2電路拓撲的選擇
開關電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓撲。其中雙管正激式、雙正激式和半橋電路的開關管承壓僅為輸入電源電壓,60降額時選用600V的開關管比較容易,而且不會出現單向偏磁飽和的問題,這三種拓撲在高壓輸入電路中得到廣泛的應用。
1.3功率因數校正技術
開關電源的諧波電流污染電網,干擾了其它共網設備,還可能會使采用三相四線制的中線電流過大,引發事故,解決途徑之一是采用具有功率因素校正技術的開關電源。
1.4控制策略的選擇
在中小功率的電源中,電流型PWM控制是大量采用的方法,在DC-DC變換器中輸出紋波可以控制在10mV,優于電壓型控制的常規電源。硬開關技術因開關損耗的限制,開關頻率一般在350kHz以下;軟開關技術是使開關器件在零電壓或零電流狀態下開關,實現開關損耗為零,從而可將開關頻率提高到兆赫級水平,此技術主要應用于大功率系統,小功率系統中較少見。
1.5元器件的選用
因為元器件直接決定了電源的可靠性,所以元器件的選用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四點:制造質量問題、器件可靠性的問題、設計問題、損耗問題。在使用中應對此予以足夠重視。
1.6保護電路
為使電源能在各種惡劣環境下可靠地工作,應在設計時加入多種保護電路,如防浪涌沖擊、過欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。
2、電磁兼容性(EMC)設計技術
開關電源多采用脈沖寬度調制(PWM)技術,脈沖波形呈矩形,其上升沿與下降沿包含大量的諧波成分,另外輸出整流管的反向恢復也會產生電磁干擾(EMI),這是影響可靠性的不利因素,這使得系統具有電磁兼容性成為重要問題。產生電磁干擾有三個必要條件:干擾源、傳輸介質、敏感接收單元,EMC設計就是破壞這三個條件中的一個。
對于開關電源而言,主要是抑制干擾源,干擾源集中在開關電路與輸出整流電路。采用的技術包括濾波技術、布局與布線技術、屏蔽技術、接地技術、密封技術等技術。
3、電源設備可靠性熱設計技術
統計資料表明電子元器件溫度每升高2℃,可靠性下降10;溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的1/6.除了電應力之外,溫度是影響設備可靠性最重要的因素。這就需要在技術上采取措施限制機箱及元器件的溫升,這就是熱設計。熱設計的原則,一是減少發熱量,即選用更優的控制方式和技術,如移相控制技術、同步整流技術等技術,另外就是選用低功耗的器件,減少發熱器件的數目,加大粗印制線的寬度,提高電源的效率。二是加強散熱,即利用傳導、輻射、對流技術將熱量轉移,這包括散熱器設計、風冷(自然對流和強迫風冷)設計、液冷(水、油)設計、熱電致冷設計、熱管設計等。強迫風冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上,但是要增加風機、風機電源、聯鎖裝置等,在設計中要根據實際情況選取散熱方式。
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