摘要：开关电源在航天、交通、军事、家电等领域应用十分广泛，同时也普遍应用于人们的日常生活和生产过程中。随着电源技术和各类元器件的不断创新和改进，人们也对开关电源设计提出了更高要求。本文主要对开关电源的可靠性设计进行了研究。
关键词：开关电源；可靠性
引言
随着科学技术的进步，开关电源已经应用于人们生活的方方面面，人们对开关电源的的可靠性要求也在不断的提高，开关电源的可靠性是保证设备正常运行的关键。为此如何设计出可靠性性能高的开关电源成为相关研究者重点研究的方向。
1开关电源的分类
开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。
3开关电源的可靠性设计
3.1合理选择电路拓扑
开关电源的拓扑形势较为丰富，一般常见的类型包括单端反激式、正激式、双单端正激式、双管正激式、双正激式、半桥式、推挽式、全桥式等。其选择推挽式或者全桥拓扑时，可能会产生单向偏磁饱和的现象，损害到开关管，而半桥电路能够自动抗不平衡，因此不会出现开关管损坏的情况。双单端正激式、中单端正激式、单端反激式、推挽式的开关管的承压能力是输入电压的两倍，在使用过程中如果是以60%降额使用，开关管的选型存在一定的困难。双管正激式、半桥电路开关管的承压能力有限，一般是电源的最大输入电压，按照60%降额使用，开关管的选用范围较为广阔。如果是进行高可靠性工程中，应选择双管正激式和半桥电路开关管，质量较为良好。
3.2合理选择电路拓扑
开关电源的耐热性也将直接影响其使用数寿命和安全可靠性，同时也决定了火灾的严重程度，故该问题应引起相关设计人员的高度重视。开关电源的热源主要包括整流输出二极管、开关功率晶体管、高频变压器等等。大量实践证明，电源内部的温升会直接影响元器件的效力，待温度达到一定的数值时，其失效率也会随之而增加，热设计过程中应遵循以下几个基本原则：（1）尽量选择最优将控制技术和方式，并选用耗能较低的元器件，控制好使用数量，提升开关电源的工作效率。（2）强化散热，通过对流、辐射、传导等技术进行热量转移，同时也可采用风冷、热管、液冷等方法。在进行风冷的过程中，一般需要增加联锁装置、风机电源等，这些工作不仅增加成本，同时也使系统的可靠性能大幅度下降，因此，应尽量采用自然冷却。
3.3电磁兼容性（EMC）设计技术
开关电源多采用脉冲宽度调制（PWM）技术，脉冲波形呈矩形，其上升沿与下降沿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，这使得系统具有电磁兼容性成为重要问题。产生电磁干扰有3个必要条件：干扰源、传输介质、敏感接收单元，EMC设计就是破坏这三个条件中的一个。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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。良好的布局和布线技术也是控制噪声的一个重要手段。为减少噪声的发生和防止由噪声导致的误动作，应注意以下几点：①尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积。②缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管。③脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源和出口分离。④控制电路和功率电路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引起天线作用，所以建议不要采用大面积接地方式。⑤必要时可以将输出滤波电感安置在地回路上。对于辐射干扰主要应用密封屏蔽技术，在结构上实行电磁封闭，要求外壳各部分之间具有良好的电磁接触，以保证电磁的连续性。目前为减少重量大都采用铝合金外壳，但铝合金导磁性能差，因而外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆，内壁贴覆高导磁率的屏蔽材料。外壳永久连接处用导电胶粘牢或采用连续焊缝结构，需拆卸的可以用导电橡胶条压紧来保证电磁连续性。导电材料要求导电性能高、有弹性、具有最小的宽厚比。
3.4元器件的选用
元器件的各项质量、性能等对于开关电源的可靠性有着直接的决定作用，在选择时需要严格遵循一定的原则，才能够在保障开关电源的质量，具体原则有以下几点：①严格做好质量控制，元器件的质量因素引起开关电源的失效有直接的关系，因此需要选择质量良好的元器件，元器件在使用前需要进行严格的检验，将质量不达标的排除掉；②按照规范严格筛选元器件相较锗半导体器件，硅半导体器件性能更加良好，因此应选择硅半导体器件。尽量选择集成电路，减少分立器件的数量，电路更加简单，也能够降低故障风险。开关管应选择金氧半场效晶体管，其驱动电路更加简单，损耗也更少。输出整流管应使用软恢复特性的二极管。金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件相较塑料封装的器件质量更加良好，因此需要避免使用塑料封装的器件。一般情况不使用继电器，如果条件限制，需要使用继电器，应选择接触良好的密封继电器。一般不使用电位器，如果需要保留电位器，需要对其实施同封处理。由于滤波电容有高频电流通过，容易引起升温，所以滤波电容器需要属于高频，且损耗少，并能够耐高温。③应用环境因素由于铝电解电容在特殊的情况下，其外壳会被腐蚀，容量不稳定、漏电流增加等问题，包括潮湿的环境、盐雾环境等，因此如果是处于舰船中，或者环境较为潮湿的情况下，尽量避免使用铝电解电容。在航天电子设备的电源中，在空间粒子的轰击下，电解质会被分解，因此也不适合于铝电解电容的使用。
3.4安全性设计技术
为保证产品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容包括防止电危险、过热危险。对于商用设备市场，具有代表性的安全标准有UL、CSA、VDE等，内容因用途而异，容许泄漏电流在0.5～5mA之间，我国用军标准GJB1412规定的泄漏电流小于5mA。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器的Y电容的容量。
结语
电源开关作为电子系统中极为重要的构件，其需要长时间的连续运行，且面临着较为复杂的运行环境。电源开关的特殊性，其无法进行相应的检修，而仅仅只能日常维护，因此其也较为容易出现各种故障，直接影响到电子产品的正常使用，需要进行可靠性设计。在实践的设计活动中还需要设计人员结合实际的要求，不断的提升设计水平，保障电源开关的可靠性，提升电子产品的质量，给企业带来良好的经济效益及社会效益。
参考文献
[1]张毅坤，王海玲，徐平.均匀设计在开关电源可靠性参数设计中的应用[J].电力电子技术，2016，03：19-21+25.
[2]钱伟，洪耀球.一种用于单片机开关电源的节能控制系统设计[J].现代电子技术，2017，40（2）：141-144.
[3]姚洪平,刘亿文,薛晨光.开关电源可靠性设计研究[J].电子制作,2017,17:39.
[4]刘志雄.开关电源可靠性设计探讨[J].现代商贸工业,2017,09:325-326.
[5]黄永俊,张居敏,胡月来.开关电源可靠性的设计[J].农机化研究,2017,02:147-148.
论文作者:李治均
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/6
标签：开关电源论文; 可靠性论文; 电路论文; 技术论文; 脉冲论文; 电压论文; 元器件论文; 《电力设备》2018年第11期论文;