摘要：开关电源的可靠性直接影响到系统制造商的最低成本，是整个系统设备正常运行的关键。在任何情况下，即使是最轻微的疏忽也会导致整个供电系统的崩溃，所以开关电源的可靠性研究和可靠性设计是非常重要的。基于开关电源的工作原理，简要分析了影响开关电源可靠性的因素，并对开关电源的可靠性进行了进一步研究。最后简要介绍了开关电源的可靠性设计方法。
关键词：开关电源；可靠性；FMEA；FTA；可靠性设计
Abstract：The reliability of switching power supply directly affects the minimum cost of the system manufacturer and is the key to the normal operation of the system equipment.In any case，even the slightest oversight can cause the entire power supply system to collapse，so the reliability study and reliability design of the switching power supply is very important.Based on the working principle of switching power supply，the factors affecting the reliability of switching power supply are analyzed briefly，and the reliability of switching power supply is further studied.Finally，the reliability design of switching power supply is briefly introduced.
Keywords：switching power supply；Reliability；FMEA；FTA；Reliability design
引言
开关电源作为电子系统设备的重要组成部分，其可靠性直接关系到整个系统的质量。开关电源由于体积小、质量相对较低、输出稳定、灵活性高等优点，在各种系统中得到了广泛的应用。目前，如何进一步提高开关电源的稳定可靠性已成为现代社会研究的一个重要目标。
一、开关电源的基本工作原理
开关电源是将交流输入电压变成所需的直流电压的装置。基本的隔离式高频开关电源原理框图如图1所示。高频开关电源主要由输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器及高频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。其基本原理是：交流电压经电网输入做EMI滤波、整流滤波得到直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经过高频变压器隔离变换，输出所需要的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压。
图1 开关电源基本原理图
1.1 输入电网滤波器：
消除来自电网的各种干扰，如电动机起动，电器开关的合闸与关断，雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。
1.2 输入整流滤波器：
将电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。
1.3 高频开关变换器：
它是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电，经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。
1.4 输出整流滤波：
将变换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电压。同时还防止高频噪音对负载的干扰。电路原理与输入滤波器相同。
1.5 控制电路：
检测输出直流电压，与基准电压比较，进行隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。一般控制电路还包括启动及禁止电路。
1.6 保护电路：
在开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。有的还有发出报警信号的功能。
1.7 辅助电源：
为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证它们工作稳定可靠。辅助电源可以是独立的，也可以由开关电源本身产生。
二、影响开关电源可靠性的主要因素
2.1环境温度对元器件的影响
环境温度对半导体、电容、电阻等元器件的可靠性有很大影响。例如：当温度从20℃提高到80℃时，硅三极管（PD/PR=0.5 负载设计条件）的故障率增加到30倍，电容（UD/UR=0.65负载设计条件）故障率提高了14倍。电阻（PD/PR=0.5负载设计条件）故障率增加4倍。
2.2负载率对元器件的影响
负载率对元器件失效率的影响也很明显。例如：电阻器在50℃的环境温度条件下，其PD/PR=0.8比PD/PR=0.2时的失效率增加了8倍。同样在50℃的环境温度条件下，PD/PR=0.8时的半导体器件失效率比PD/PR= 0.2时增加1000倍。开关电源的设计与使用中，应尽量避免其负载率过大而导致电源故障。
三、开关电源FMEA、FTA的可靠性研究
根据开关电源的组成原理，对开关电源系统进行了故障模式影响研究，定性研究了系统潜在的故障模式、原因及影响因素，建立了系统故障树。为了简化计算，利用可靠性框图，快速检验可靠性指标。
3.1 FMEA定性
3.1.1 系统正常工作状态及失效故障判定
开关电源常工作时，能够稳定输出符合要求的电压，各项指标均正常。如果其输出电压不稳定或输出值不符合要求（或没有输出）则被视为功能失效故障。
3.1.2 FMEA中的有关约定
FMEA就是失效模式分析，是在产品设计中的一个重要环节，通过对产品各组成单元潜存的各种故障模式及其对产品功能的影响进行研究，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠性。如表1是针对该系统进行的严酷度等级的约定。
表2 开关电源功能FMEA
3.1.4 FMEA结论
严酷度为II、III类的故障模式较多，考虑增加对开关电源的冗余设计，选用高质量元器件，加强元器件的二次筛选，并降额使用，提高电路的稳定性等。
3.2 FTA定性
故障树分析法（FTA）是一种图形演绎式的故障分析方法。它对造成系统失效的各种因素进行自上而下的深入研究，最终找到对应的各种故障原因，即底事件，并用树状图表达故障和各原因之间的因果关系，具有简明、直观、易懂和灵活的特点。故障树分析法可帮助判明可能发生的故障模式和原因，为故障“归零”提供支持。
我们研究的开关电源系统故障树的顶事件为输出电压不正常，依次逐级分析建立故障树，如图1所示。
从图1的故障树可知，由于系统只存在或逻辑，即任何一个底事件的发生都将导致系统顶事件的发生。因此，所有底事件都是系统的最小割集，均为薄弱环节。在设计中应采取适当措施来改善这些薄弱环节，以避免故障的发生。
图1开关电源的故障树分析
四、开关电源可靠性设计
4.1供电方式的选择
集中式供电和分布式供电是开关电源的两种主要供电方式。集中式供电方式主要存在两个方面的问题：其一，由于传输距离不同和输出间的偏差易形成电压差，会降低供电质量；其二，集中式供电为单电源供电方式，如果电源发生故障就会影响到整个供电系统。分布式供电方式相比集中式供电方式，在供电质量及可靠性方面具有一定的优势，其供电电源和负载距离比较近，能够有效改善动态响应特性，除此之外，还具有能源损耗小，传输效率高，功率扩展较为简便等优势。在设计开关电源时，出于可靠性等方面的考虑，通常都会选用分布式供电方式。
4.2电路拓扑结构选择
常见开关电源电路的拓扑结构有：推挽式、半桥式、全桥式、单端正激式、单端反激式、双正激式、双单端正激式、双管正激式等八种。双管正激式和半桥式电路中，开关管能够承受电压约为电源的最大输入电压，在考虑开关管降额选型使用时较为容易。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式电路中的开关管所承受的电压约是2倍的电源输入电压，在考虑开关管的降额使用时，会带来选型的不易。全桥式和推挽式电路拓扑结构中，会出现单向偏磁饱和，造成开关管损坏，而半桥式电路自身具有自动抗不平衡的特点，能够有效改善开关管的损坏。根据电路拓扑结构的特点，为了提高开关电源的可靠性，通常选用双管正激式或半桥式电路拓扑结构。
4.3控制方式的选择
大功率开关电源主要采用软开关技术，基于谐振原理，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提升到兆赫级水平，具有低开关损耗、恒频控制、控制范围较宽、负载范围较大等优点。中小型功率开关电源中，较多采用电流型PWM控制方式，这种硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在350kHz以下，相比电压型控制方式有控制速度快、环路稳定性高易补偿、纹波小、过载与短路故障少等优点。
4.4元器件的选择
元器件的质量好坏直接决定了开关电源的可靠性，因此元器件选型在我们的开关电源设计过程中显得额外重要。元器件的选择主要包括：（1）选用制造质量合格的元器件。应考虑制造商是否为过硬的品牌，产品是否经过验证，是否具有专业品质认证，是否经过量产的成熟产品等方面；（2）选用筛选检验合格的可靠性高的元器件。元器件进行多次的检验和筛选，剔除不合格的元器件，可以在一定程度上降低开关电源的故障几率；（3）严格按照元器件选用原则来进行选择。尽量选用硅半导体，少用或不用锗半导体；多用集成电路，少用分立器件；开关管选用功率MOSFET或专用开关电源芯片，简化驱动电路，减少损耗，开关电源芯片尽可能选用带过压、欠压、过热、短路等保护功能；输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管；选择金属、陶瓷、玻璃封装的器件，禁止选用塑料封装的器件；整流滤波电容应具有高频低损耗和耐高温的工作特性等；（4）结合使用环境对元器件的要求来进行选择等。应考虑环境的温湿度、酸碱度、腐蚀性气体等；（5）元器件的降额设计。为了解决某些元器件失效率较高的问题，在电路设计过程中需要进行降额设计。由于大部分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。
4.5开关电源可靠性热设计
温度是影响开关电源可靠性的一项重要因素。过高的温度将导致开关电源电路中的一些温度敏感元器件失效，长期在较高温环境下工作也会降低元器件的使用寿命。为使开关电源的温升控制在允许的范围之内，需要进行热设计。完整的热设计包括两个方面：（1）控制发热源的发热量。通过选用更优的控制方式和技术来减少器件损耗同时减小发热量；选用低功耗、高质量的器件，减少发热器件数目；高频变压器和电感线圈设计时应选用较粗的导线来抑制温升，减少发热；加大、加宽、加厚印刷线路板的铜箔，提高电源的效率也可减少发热量；（2）将热源产生的热量散出去。一般的做法是加装散热器，主要是利用热传导和热对流，将所有发热元器件均先固定在散热器上，热量通过传导方式传递给散热器，散热器上的热量再通过对流换热的方式由空气带出。
4.6开关电源的安全及三防设计
电源的安全性是设计的关键性能指标，没有足够安全的电源产品，不但无法保障正常运作，还有可能引发安全事故，造成重大损失。电源产品安全性设计的主要内容包括：防止触电和烧伤。为了防止触电，一方面通过安全标准（国际上常见有IEC、UL、CSA、VDE等）进行管控，要求电源设备的绝缘耐压、对地泄漏电流等多方面需满足标准要求；另一方面规范插头座，原则上以产品端（非电源端）为针，电网端（电源端）为孔。为了避免烧伤，要求环境温度为25摄氏度左右时，对于可能与人体接触的裸露部件（散热器、机壳等），其最高温度不应超过60摄氏度，面板和手动调节部分的最高温度不应超过50摄氏度。
电子设备在潮湿的环境下表面易受到腐蚀，同时也会滋生霉菌，这些会引发印刷线路板的绝缘电阻下降、铜箔短路、元器件发霉、产生铜绿、引脚被腐蚀断裂等情况，因此应用于我国长江以南以及沿海地区军用电源，或者是一些类似化工厂、糖厂等带有腐蚀性气体区域的电源，均应进行三防设计。三防设计是指防潮、防盐雾和防霉菌设计。设计要求对于有密封要求的元器件应采取密封措施；对于不可修复的组合装置应采用环氧树脂灌封；对于直接暴露在空气中的装置，其顶部不能设计为凹陷结构，尽量避免积水造成腐蚀设备；开关电源结构上可以采用密封或半密封的形式来隔绝不利的外部环境，对于开关电源的组件表面或印刷线路板表面，要涂覆专用的防盐雾、防霉菌、防潮的材料，以防外部不利环境对元器件造成侵蚀。
五、结束语
开关电源设计时进行FMEA，并对主要故障原因进行FTA，查找设计中所存在的缺陷和可靠性薄弱环节，特别是能引起高严酷度的故障模式，为电路设计改进及可靠性提供依据。同时，开关电源可靠性的高低，不仅与电路设计有关，还与元器件、结构装配、工艺加工等方面有关。在实际工程应用上，还应通过各种实验取得反馈数据来完善设计，进一步提高开关电源可靠性。
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论文作者:李海峰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/1/15
标签：开关电源论文; 可靠性论文; 电压论文; 元器件论文; 故障论文; 电路论文; 变换器论文; 《基层建设》2018年第36期论文;