开关电源设计引发的“六性”问题

王俊粉

（西安伟京电子制造有限公司，陕西 西安 710076）

0 引言

在当今这个工业不断发展的时代，几乎所有的电子设备都需要恒压电源或者恒流电源进行电力的供应，进行电源设计已经成为保证电子设备功能的重要手段[1]。开关电源由于其自身性能强大，并且尺寸较小、效率较高，受到了市场的青睐，进行了不同模式和形态的开发。但是在进行此类电源的设计当中，也逐渐出现了一些需要关注的问题。

1 开关电源的主要分类

1.1 开关电源的概念

开关电源就是利用电子开关器件如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等，通过PWM控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，把输入的直流电压转化为幅值等于输入电压幅值的高频脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器PWM来调节，输入电压被转化为交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低，通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数，最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。此类电源可以使用开关晶体管的电路来进行能量的输出，并且主要负责的就是进行能量的传输工作。该电源内置芯片，并且其芯片中的功率管在开关状态下的等效电阻较小，因此在大电流通过之后不同担心有较多的消耗问题[2]。

1.2 开关电源的主要分类

根据电源变压器磁芯工作的方式不同，开关电源分为：反激式、正激式、推挽式、半桥式、全桥式。与推挽式变压器工作方式一样，其中反激式电源电路结构简单、成本低，尤其适合制作小功率电源，下面介绍反激开关电源的工作原理。

1.3 反激开关电源原理

反激变换器的基本电路图如图1所示。

图1 反激开关电源原理图

工作原理如下：开关管Q的VGS为高电平时，Q导通，输入电压加在变压器Np的两端，整流二极管D反向截止，输出电容C给负载供电，T相当于一个纯电感，流过Np的电流线性上升，达到峰值Ipmax。当开关管Q的VGS为低电平时，Q关断，变压器绕组Ns反激电压使输出二极管D进入导通状态，同时初级存储的能量传送到次级，次级电流Is波形如1图，提供负载电流，同时给输出电容充电。

1.4 开关电源基本特点

（1）具有功率消耗较小、效率高的特点。此类电源工作电流在开关管和续流二极管之间进行循环，开关管导通，其电压较低，电源的功耗小，效率较高。

（2）此类电源具有体积小、重量轻的特点。根据上图的电源构造可知，此类电源并没有使用传统电源的工频变压器，而使用高频变压器。输出同样功率，高频变压器的体积与工频变压器相比成倍减小。另外电源效率相对较高，功率器件的发热相对较少，因此不需要较大的散热片或较大的壳体进行散热，功率器件的封装尺寸也可选择相对较小的。由于此类电源的设计特点，在设计当中会向轻量化和尺寸小的方向发展[3]。

（3）电源稳压范围宽。根据输入电压的大小，调节开关管的驱动脉冲宽度，通过改变控制信号的占空比来稳定开关电源输出电压，因此该电源具有更高的稳定性。

（4）电路的实现形式具有灵活多样性。此类电源的变压器工作方式分为连续模式和断续模式，变压器断续模式适合输出高电压、小功率类电源；变压器连续模式适合输出低电压、大电流类电源，可以根据输出电压和功率的要求进行灵活的设计来满足实际的需求。

2 开关电源的“六性”问题

电子设备的“六性”概念来自于GJB901《质量管理体系要求》中的相关内容，包括可靠性、安全性、维修性、测试性、保障性和环境适应性。

2.1 可靠性

可靠性是指当前的系统或者机械设备零部件等能够在规定的环境条件以及规定的时间之内完成规定的工作的能力。可靠性可以使用可靠度进行表示，指的是在规定的时间和条件之内能够完成特定工作的概率，能够衡量某一种产品可靠性水平的大小[4]。

可靠性是对于设备无故障持续工作能力的评价，是体现装备能够进行持续工作以及实施极限任务的重要指标。保障设备自身的可靠性，需要在进行产品研发、设计以及制作中使用较好的技术以及较为严谨的管理活动。进行电子设备的可靠性设计，需要保障该设备的元器件具有可靠性。

在进行开关电源设计中，可以采用元器件应力分析法进行可靠性预计，以GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》作为电源的可靠性预计的依据。主要表现在其自身使用的元器件以及原材料的合理性，如元器件进行合理的电应力、热应力等其他应力的降额使用。在开关电源设计中，使用简洁的电源设计结构、高质量等级的元器件，以及对原材料、功率器件进行合理的布局、合理的热设计、防震、防噪声、防潮系统均能够提升电源自身的可靠性。

电源总输出功率Po，输入功率PIN，消耗功率P1计算如下：η为电源的效率。

器件到壳体温升ΔT=Rth×P1，Rth为器件到壳体的热阻，温升与热阻、耗散功率成正比，故热阻与耗散功率越大温升越大。

为了有效地提高电源的可靠性，开关电源研制过程中主要解决的问题是减小功率器件的热阻和损耗，提高效率。

功率器件在满足功率输出的前提下，尽量选热阻小的封装。功率器件最好紧贴壳体或散热器，减小功率器件的热阻，能够有效地提高电源的可靠性。

开关电源的损耗主要由3部分组成：功率开关管的损耗，高频变压器的损耗，输出整流管的损耗。为了提高开关电源的热可靠性，设计时将发热器件均匀分布在开关电源的壳体内，以保证开关电源的热平衡，从而保证发热功率器件安全可靠地工作。

半导体器件的结温对器件自身的可靠性具有极大的影响，在设计中应做好功率发热器件的散热设计。功率元器件通过优化电路降低工作功耗、合理布局、大面积铺铜、降低导热路径热阻、增加散热面积、灌封胶导热等多种措施将热量以能实现的最小温差导至壳体，以尽可能地降低元器件自身的结温，确保开关电源在高温环境下可靠地工作[5]。

2.2 维修性

维修性是指设备能够在规定的条件以及时间下按照规定的程序和方法进行维修并能够保持或者恢复当前设备的规定状态的能力，可以使用维修度进行设备维修性的测量。

维修性是对于设备自身能够使用维修回复自身功能的能力的评价。维修主要包括修复性维修、预防性维修以及日常保养等。其中，预防性维修主要是对设备中的关键构件进行检查，判定设备是否具有维持其自身功能的能力，一般正常工作的设备应该尽量减少预防性维修。此外，设备还具有固有维修性和使用维修性。固有维修性的主要影响因素为设备自身的设计和制作水平，使用维修性则是设备在进行实际的使用当中所表现出来的能够进行维修并回复功能的水平。

针对开关电源的维修性设计分为定性要求和定量指标。定性要求是指当前设计的电源产品需要维修便捷、迅速，定量指标则是当前电源出现故障之后的平均修复时间。在进行维修设计时，应该考虑到出现故障之后进行迅速修复的实际效果，以便在出现故障之后能够迅速快捷地发现出现问题的原因并进行及时的修复。

进行开关电源设计时，其维修性表现在以下几点：

①简化维修设计。开关电源设计时考虑产品的工艺性和维修性，包括元器件的安装位置及安装方式，同时更加要注重产品的可靠性设计，通过提高产品的长期稳定性和使用寿命，降低产品的故障率，避免维修情况的发生。

②进行可更换性设计。电源在使用中出现故障，为了不影响电子设备正常使用，需要进行及时更换。因此需要进行可简单更换的设计，提升电源在出现故障之后的可更换性。

③开关电源设计精简便捷化。在进行电源设计中，注重减少电源自身体积以及重量，方便电源进行拆卸和搬运，提升进行后勤保障的简便性。

2.3 测试性

测试性是指能够对产品或者设备及时准确地确定其自身的状态，并对其内部的故障进行隔离后处理。测试性反映的是设备自身能够被检查到出现的故障以及出现故障原因的水平，影响到设备自身测试性能的主要因素包括对设备进行检测和诊断人员自身的故障检测水平、辅助检测维修工具、技术资料以及人员培训等。

在进行开关电源的设计当中，经常会出现设备不能够进行正常的工作或者设备在进行工作当中出现输出电压不稳定的问题。在出现此类问题之后，设备的可测试性就显得比较重要。主要使用以下几点方法提升设备的测试性：①进行产品设计时考虑到产品的测试性；

②设计设备结构，保障设备在不开盖的情况下能够进行简单测试；

③使用标准化测试工具。

2.4 安全性

设备安全性是指设备不会导致人员伤亡、危害人员健康以及环境、对于人员的财产造成破坏或者损坏等，可以总结为设备不发生事故的能力。

安全性是设备重要的特性之一，是设备自身对于人员以及环境所存在的潜在风险的描述，也是在进行设备选择中需要首先进行考虑的主要因素。在进行设备安全性的表示当中，通常使用不同的等级进行表示，比如使用风险分析法进行设备危险程度的描述为可能发生危险的频率：A级（频繁）、B级（很可能）、C级（有时）、D级（极少）、E级（不可能）。

开关电源在进行设计使用的过程中，经常出现的安全性问题为电源设备自身对于电流的绝缘性能以及在进行使用的过程中出现高温燃烧的可能性。进行开关电源安全性设计中，应该遵循最小风险设计，使用安全装置、警报装置，并对于开关电源的安全使用方法进行规范化培训。在保障电源设备自身的安全性时，可以通过以下设计提升电源安全性：

①设计减少对于危险材料的使用，在进行产品使用中规定工作条件和使用环境，避免使用不当；

②进行不同材料器件的隔离，对使用的原件进行编号，确保连接正常；

③安排专业的人员进行设备的监督保养；

④在设备中添加预警设施；

⑤最小化不能够排除的风险因素；

⑥通过保障设备自身的结构安全等方式减少电源设备进行使用中出现的安全问题，提升设备的安全性。

⑦在进行开关电源设计中，应该将不能够避免的风险降低到最小的程度，使用故障安全保护等进行设计，减少风险出现时设备的损伤比例。

2.5 保障性

保障性是指设备自身的设计特性能够满足在紧急情况下使用的水平。设备的保障性主要是指设备自身的质量以及配套资源，主要包括设备自身的设计水平以及保障系统的设计两方面因素。在进行开关电源保障性设计中，尤其是在研发初期就进行保障性分析工作，确定预防性和修复性维修保障资源，积极开展产品综合保障规划并进行试验与评价。

开关电源设备自身的保障性就是该设备能够在工作任务突然增加的情况之下稳定提供输出电压的能力。在进行电源的设计当中，使用以下几种方式提升设备保障性：

①技术保障。在设备自身保障能力的设计当中，需要将设备设计得足够简单方便，使用通用的原材料进行设备的制作，在进行设备的设计当中考虑到设备的使用环境、将设备设计为较小的尺寸并按照国际的标准进行包装，满足运输以及存储的需求。

②物资保障。需要准备好专用的维修工具、培训专业的设备维修人员、使用配套的设备技术资料等，提升设备的综合保障性能。

③生产保障。进行开关电源生产中，使用GJB2438A《混合集成电路通用规范》和SJ20668《为电路模块总规范》进行电源生产器件的选择与使用。

④交付保障。在进行交付保障中，使用专用的包装设备进行包装，在0～35摄氏度的环境温度中进行存储，提升设备的交付保障水平。

2.6 环境适应性

环境适应性是指在设备自身的寿命期间内，在不同的环境作用下能够保障自身功能以及性能不被破坏的能力。

设备自身的环境适应性主要是指对工作环境的适应，包括机械环境、电磁场环境、生物环境等，在进行设备的结构设计中应该尽量考虑到设备进行工作的工作环境，提升设备自身的适应能力，实现开关电源成本低、可靠性高、寿命较长。

在进行开关电源的设计当中，应该考虑到电源使用的环境，根据设备当前使用的环境使用不同的设计策略提升设备自身的环境适应性。主要有以下几种策略：

①机械设计。提升对于机械环境的适应可以为设备增加悬挂式结构、使用合理的材料、尽可能地安装减震器等；

②特殊环境适应设计。对于气候环境的适应则应该根据不同的气候环境选择是哪个密封或者涂漆等提升设备的环境适应性；在进行特殊军事使用中，还应该使用军事涂层的方式将电源与周围环境进行融合，做到较好的隐蔽效果；

③电磁环境适应设计。对于电磁环境的适应则可以使用屏蔽、接地等设计。

3 结语

伴随开关电源的广泛使用，在进行电源设计中注重设备自身的“六性”问题能够进一步优化设备的实际使用功能，提升设备自身的质量。