設(shè)計(jì)出更可靠電源_需要注意的幾點(diǎn)

1　引言

開關(guān)電源是各種系統(tǒng)的核心部分。開關(guān)電源的需求越來越大，同時(shí)對(duì)可靠性提出了越來越高的要求。涉及系統(tǒng)可靠性的因素很多。目前，人們認(rèn)識(shí)上的主要誤區(qū)是把可靠性完全（或基本上）歸結(jié)于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和環(huán)境溫度對(duì)可靠性的決定性的作用。據(jù)美國(guó)海軍電子實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，整機(jī)出現(xiàn)故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。

在民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域，日本的統(tǒng)計(jì)資料表明，可靠性問題80％源于設(shè)計(jì)方面（日本把元器件的選型、質(zhì)量級(jí)別的確定、元器件的負(fù)荷率等部分也歸入設(shè)計(jì)上的原因）。以上兩方面的數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)及元器件（元器件的選型，質(zhì)量級(jí)別的確定，元器件的負(fù)荷率）的原因造成的故障，在開關(guān)電源故障原因中占80％左右。減少這兩方面造成的開關(guān)電源故障，具有重要的意義?？傊?，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，需要明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念，把系統(tǒng)的可靠性作為重要的技術(shù)指標(biāo)，認(rèn)真對(duì)待開關(guān)電源可靠性的設(shè)計(jì)工作，并采取足夠的措施提高開關(guān)電源的可靠性，才能使系統(tǒng)和產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定、可靠的目標(biāo)。本文就從這兩個(gè)方面來研究與闡述。

2 系統(tǒng)可靠性的定義及指標(biāo)

國(guó)際上，通用的可靠性定義為：在規(guī)定條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。此定義適用于一個(gè)系統(tǒng)，也適用于一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)單元。描述這種隨機(jī)事件的概率可用來作為表征開關(guān)電源可靠性的特征量和特征函數(shù)。從而，引出可靠度[R（t）]的定義：系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。

如系統(tǒng)在開始 （t=0）時(shí)有n0個(gè)元件在工作，而在時(shí)間為t時(shí)仍有n個(gè)元件在正常工作，

則

可靠性　　 R(t)=n/n0　　0≤R(t) ≤1

失效率　　 λ(t)= - dinR(t)/dt

λ定義為該種產(chǎn)品在單位時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)，即λ=dn/dt。

如失效率λ為常數(shù)，則?

dn/dt=-λt

n=n0e-λt

R(t)=e-λt0　 ?

MTBF（平均無故障時(shí)間）=1/λ

平均無故障時(shí)間（MTBF）是開關(guān)電源的一個(gè)重要指標(biāo)，用來衡量開關(guān)電源的可靠性。

3　影響開關(guān)電源可靠性的因素

從各研究機(jī)構(gòu)研究成果可以看出，環(huán)境溫度和負(fù)荷率對(duì)可靠性影響很大，這兩個(gè)方面對(duì)開關(guān)電源的影響很大，下面將從這兩方面分析，如何設(shè)計(jì)出高可靠的開關(guān)電源。其中：PD為使用功率；PR為額定功率主。UD為使用電壓；UR為額定電壓。

3.1 環(huán)境溫度對(duì)元器件的影響

3.1.1 環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)體IC的影響

硅三極管以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)，則環(huán)溫度對(duì)可靠性的影響，如表2所示。

由表2可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了30倍。

3.1.2 環(huán)境溫度對(duì)電容器的影響

以UD/UR=0.65使用負(fù)荷設(shè)計(jì) 則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表3所示。

從表3可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了14倍。

3.1.3 環(huán)境溫度對(duì)電阻器的影響

以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)，則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表4所示。

從表4可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了4倍。

3.2 負(fù)荷率對(duì)元器件的影響

3.2.1 負(fù)荷率對(duì)半導(dǎo)體IC的影響　　　?

當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時(shí)，PD/PR對(duì)失效率的影響如表5所示。

由表5可知，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了1000倍。

3.2.2 負(fù)荷率對(duì)電阻的影響

負(fù)荷率對(duì)電阻的影響如表6所示。

從表6可以看出，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比PD/PR=0.2時(shí)增加了8倍。

4　可靠性設(shè)計(jì)的原則

我們可以從上面的分析中得出開關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)原則。

4.1可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)包含定量的可靠性要求。

4.2可靠性設(shè)計(jì)與器件的功能設(shè)計(jì)相結(jié)合，在滿足器件性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量提高器件的可靠性水平。

4.3應(yīng)針對(duì)器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相應(yīng)制約因素進(jìn)行綜合平衡設(shè)計(jì)。

4.4在可靠性設(shè)計(jì)中盡可能采用國(guó)、內(nèi)外成熟的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝和新原理。

4.5對(duì)于關(guān)鍵性元器件，采用并聯(lián)方式，保證此單元有足夠的冗佘度。

4.6 原則上要盡一切可能減少元器件使用數(shù)目。

4.7在同等體積下盡量采用高額度的元器件。

4.8 選用高質(zhì)量等級(jí)的元器件。

4.9 原則上不選用電解電容。

4.10 對(duì)電源進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，控制環(huán)境溫度，不致溫度過高，導(dǎo)致元器件失效率增加。

4.11 盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。

4.12 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。