开关电源的可靠性设计

高海燕

摘要：这是一篇有关开关电源可靠性的理论研究、设计方法的技术总结。详细地介绍了开关电源可靠性建模、可靠性设计等内容。

关键词：开关电源;可靠性;失效率;可靠性设计

引言

产品的可靠性是指在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。产品的可靠性非常重要，决定作战的胜败、设备的正常运转、关系到一个公司的发展前途、影响到使用者的安全。

随着市场经济的发展，竞争日趋激烈，高性价比高可靠是各行各业共同追求的目标。设备要正常工作、发光、发声都需要电源，开关电源因其体积小效率高得到普遍应用，对可靠性及使用寿命要求也越来越高，提高开关电源的可靠性值得探究。

1 主要的可靠性指标

衡量开关电源产品可靠性水平的标准有定量的和定性的，有时同时用几种指标去评估产品的可靠性，最常用的有以下几种。

1）可靠度R（t）：是指产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。一批产品的数量为N，从t = 0时开始使用，随着时间的推移，失效的产品件数逐渐增加，而正常工作的产品件数n（t）逐渐减少，用R（t）表示产品在任意时刻t的可靠度。

2）失效率（故障率）λ（t）：：是指某产品（零部件）工作到时间t之后，在单位时间△t内发生失效的概率。

3）有效寿命与平均寿命;有效寿命一般是指产品投入使用后至达到某规定失效率水平之前的一段工作时间，而平均寿命MTTF对于不可修复产品，指从开始使用直到发生失效这一段工作时间的平均值;对于可修复的产品，是指在整个使用阶段和除维修时间之后的各段有效工作时间的平均值。

4）平均无故障工作时间MTBF：是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔时间。它仅适用于可维修产品，规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF。其他如可靠度、有效度、维修度、平均维修时间等也是衡量产品可靠性水平的一种标准，但是一般以可失效率和MTBF就足以说明产品可靠性程度了。

2 开关电源可靠性设计具体实施办法

2.1电路设计

2.1.1电路设计原则

a.电路拓扑选择成熟稳定的电路结构;

b.元器件质量等级（可靠性等级）达到或超过目标要求;

c.元器件按有关要求充分降额;

d.简化电路设计，减少元器件种类和数量。

2.1.2 开关电源电路的可靠性设计指标

2.1.2.1 稳定性设计指标

开关电源电路经过贮存、使用一段时间后，在各种环境因素和工作应力的作用下，某些电性能参数将逐渐发生变化。如果这些参数值经过一定的时间超过了所规定的极限值即判为失效，这类失效通常称为参数漂移失效，如温漂、时漂等。因此，在确定稳定性设计指标时，必须明确规定开关电源电路在规定的条件下和规定的时间内，其参数的漂移变化率应不超过其规定值。

2.1.2.2 极限性设计指标

开关电源承受各种工作应力、环境应力的极限能力是保证开关电源可靠性的主要條件。开关电源电路的电性能参数和热性能参数都有极限性设计指标的要求，应根据用户提出的工作环境要求在设计中采取措施加以保证。

2.1.2.3 可靠性定量指标

表征产品的可靠性有产品寿命、失效率或质量等级。若开关电源的失效规律符合指数分布时，寿命与失效率互为倒数关系。

2.1.2.4 应控制的主要失效模式

开关电源的研制应根据电路的具体要求和相似产品的生产、使用数据，通过可靠性水平分析，找到可能出现的主要失效模式，设计时采取相应的纠正措施，达到控制或消除这些失效模式的目的。一般开关电源电路产品应控制的主要失效模式有输出电压异常、输出电流能力下降、输入短路等，其主要失效机理为内部元器件偶然失效、过应力使用、多余物、电子互连失效（焊接工艺）等。

2.1.3 开关电源可靠性设计的基本内容

2.1.3.1 线路可靠性设计

开关电源的线路可靠性设计是根据电路可能存在的主要失效模式，在设计阶段对原功能设计的电路拓扑进行修改、补充、完善，以提高其可靠性。线路可靠性设计的一般原则是：

（1）线路设计应在满足性能要求的前提下尽量简化;

（2）采用标准元器件，种类尽量少;

（3）进行降额设计，在允许的情况下输入端电压和功率最好一级降额;输出端电流和功率最好一级降额;

（4）在同样的参数指标下，尽量降低电流密度和功耗，减少电热效应的影响;

（4）出现的瞬态过电应力，应采取必要的保护措施。如在有关端口采用箝位二极管进行瞬态电压保护，采用串联限流电阻限制瞬态脉冲过电流值。

2.1.3.2 印制板图可靠性设计

印制板图可靠性设计是按照电路原理图进行元器件布置和布线，根据工艺流程按照不同封装的元器件可能出现的主要失效模式来审查印制板图布置的合理性，发热量较大的晶体管和单元，应尽量分散安排，并远离对温度敏感的电路单元。

2.1.3.3 工艺可靠性设计

工艺设计非常关键，在工艺生产过程中的可靠性设计主要应考虑：

（1）原工艺设计对工艺误差、工艺控制能力是否给予足够的考虑（裕度设计），有无监测、监控措施;

（2）各类元器件质量的保证程度;

（3）工艺环境的保证程度;

（4）特定的保证工艺，如自动化水平、一致性等的保证。

2.1.3.4 封装结构可靠性设计

封装质量直接影响到开关电源电路的可靠性。封装结构可靠性设计应着重考虑：

（1）内部元器件的机械固定、粘固、灌封;

（2）外壳的选择以及密封等级;

（3）对外引线方式的选择。

2.1.4 可靠性设计技术

可靠性设计技术分类方法很多，这里以开关电源电路所受应力不同造成的失效模式与机理为线索来分类，将开关电源电路可靠性设计技术分为：

（1）耐电应力设计技术：包括抗电强度和绝缘设计，防静电放电设计，电压、电流、功率降额设计;

（2）耐环境应力设计技术：包括耐热应力、耐机械应力、耐化学应力和生物应力、耐辐射应力设计;

（3）稳定性设计技术：包括电路拓扑、印制板图和工艺方面的稳定性设计。

2.1.4.1 耐电应力设计技术

开关电源所承受过高电应力的来源是多方面的，有来自于整机电源系统的瞬时浪涌电压和电流、外界的静电和干扰的电噪声，也有来自于自身电场的增强。主要有过电压、过电流、过功率等。设计中要采取过压保护、尖峰吸收及防静电等措施。

2.1.4.2 耐环境应力设计技术

环境包括高低温、湿热、振动、冲击、盐雾、霉菌、磁场等等，热应力是引起失效的重要因素，在开关电源设计时要充分进行热设计。

开关电源电路的热设计主要是以下几方面：

（1）提高电路转换效率，降低损耗，以降低温升。

（2）选择宽温元器件;

（3）良好的散热设计;开关电源内部的功率元器件应采取可靠的散热设计，包括金属背板传导冷却，强制风冷和水冷等。特别注意的是开关管等功率元器件与散热板的热耦合，要求热阻尽量低。

耐机械应力、 化学应力与生物应力、防潮、防霉和防盐雾设计等开关电源可靠性均有影响，本文不进行表述。

3 结论

本文给出了开关电源可靠性的理论研究、设计方法。详细地介绍了开关电源可靠性设计具体实施办法。对开关电源方案设计初期的可靠性设计提供理论依据，对具体产品设计具有一定的借鉴价值。