軍用開關(guān)電源可靠性設(shè)計研究

對于開關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開關(guān)電路與輸出整流電路。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等。 EMI 按傳播途徑分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)噪聲的頻率范圍很寬，從 10kHz ～ 30MHz ，我們雖然知道產(chǎn)生干擾的原因，但從效率上來講，通過控制脈沖波形的上升與下降時間來解決未必是一個好辦法，解決辦法之一是加裝電源 EMI 濾波器、輸出濾波器及吸收電路，參見圖 2 。

電源 EMI 濾波器實際上是一種低通濾波器，它毫無衰減地把 50Hz 或 400Hz 交流電能傳遞給電子設(shè)備，卻大大衰減傳入的干擾信號，同時又能抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的干擾信號，防止它竄入電網(wǎng)，危害公網(wǎng)其它設(shè)備。選擇 EMI 濾波器是根據(jù)插入損耗的大小來選擇濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)，根據(jù)實際要求選擇額定電壓、額定電流、漏電流、絕緣電阻、溫度條件等參數(shù)。電源 EMI 濾波器最好安裝在機殼電源線進口的插座附近。抑制輸出噪聲的對策基本上按 10kHz ～ 150kHz 、 150kHz ～ 10MHz 、 10MHz 以上三個頻段來解決。 10kHz ～ 150kHz 范圍內(nèi)主要是常態(tài)噪聲，一般采用通用 LC 濾波器來解決。 150kHz ～ 10MHz 范圍內(nèi)主要是共模成分的噪聲，通常采用共模抑制濾波器來解決。共模扼流圈要采用導(dǎo)磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料，電感量在（ 1 ～ 2 ） mH 、電容量在 3300pF ～ 4700pF 之間，如果控制低頻段的噪聲，可以適當加大 LC 的取值。在 10MHz 以上頻率段的對策是改進濾波器的外形。輸出整流二極管的反向恢復(fù)也會引起電磁干擾，這種情況可以采用 RC 吸收電路來抑制電流的上升率，通常 R 在 (2 ～ 20)Ω 之間， C 在 1000pF ～ 10nF 之間， C 應(yīng)選用高頻瓷介電容。

良好的布局和布線技術(shù)也是控制噪聲的一個重要手段。為減少噪聲的發(fā)生和防止由噪聲導(dǎo)致的誤動作，應(yīng)注意以下幾點：

① 盡量縮小由高頻脈沖電流所包圍的面積。

② 緩沖電路盡量貼近開關(guān)管和輸出整流二極管。

③ 脈沖電流流過的區(qū)域遠離輸入輸出端子，使噪聲源和出口分離。

④ 控制電路和功率電路分開，采用單點接地方式，大面積接地容易引起天線作用，所以建議不要采用大面積接地方式。

⑤ 必要時可以將輸出濾波電感安置在地回路上。

⑥ 采用多只低 ESR （等效串聯(lián)電阻）的電容并聯(lián)濾波。

⑦ 采用銅箔進行低感低阻配線。

⑧ 相鄰印制線之間不應(yīng)有過長的平行線，走線盡量避免平行，采用垂直交叉方式，線寬不要突變，也不要突然拐角。禁止環(huán)形走線。

⑨ 濾波器的輸入和輸出線必須分開。禁止將開關(guān)電源的輸入線和輸出線捆扎在一起。

對于輻射干擾主要應(yīng)用密封屏蔽技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上實行電磁封閉，要求外殼各部分之間具有良好的電磁接觸，以保證電磁的連續(xù)性。目前為減少重量大都采用鋁合金外殼，但鋁合金導(dǎo)磁性能差，因而外殼需要鍍一層鎳或噴涂導(dǎo)電漆，內(nèi)壁貼覆高導(dǎo)磁率的屏蔽材料。外殼永久連接處用導(dǎo)電膠粘牢或采用連續(xù)焊縫結(jié)構(gòu)，需拆卸的可以用導(dǎo)電橡膠條壓緊來保證電磁連續(xù)性。導(dǎo)電材料要求導(dǎo)電性能高、有彈性、具有最小的寬厚比。

4 電源設(shè)備可靠性熱設(shè)計

除了電應(yīng)力之外，溫度是影響設(shè)備可靠性最重要的因素。電源設(shè)備內(nèi)部的溫升將導(dǎo)致元器件的失效，當溫度超過一定值時，失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加，溫度超過極限值時將導(dǎo)致元器件失效。國外統(tǒng)計資料表明電子元器件溫度每升高 2℃ ，可靠性下降 10 ％；溫升 50℃ 時的壽命只有溫升 25℃ 時的 1/6 。需要在技術(shù)上采取措施限制機箱及元器件的溫升，這就是熱設(shè)計。熱設(shè)計的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)，如移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強散熱，即利用傳導(dǎo)、輻射、對流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括采用散熱器、風冷 ( 自然對流和強迫風冷 ) 、液冷 ( 水、油 ) 、熱電致冷、熱管等方法。

強迫風冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上，但是要增加風機、風機電源、聯(lián)鎖裝置等，這不僅使設(shè)備的成本和復(fù)雜性增加，而且使系統(tǒng)的可靠性下降，另外還增加了噪聲和振動，因而在一般情況下應(yīng)盡量采用自然冷卻，而不采用風冷、液冷之類的冷卻方式。在元器件布局時，應(yīng)將發(fā)熱器件安放在下風位置或在印制板的上部，散熱器采用氧化發(fā)黑工藝處理，以提高輻射率，不允許用黑漆涂覆。噴涂三防漆后會影響散熱效果，需要適當加大裕量。散熱器安裝器件的平面要求光滑平整，一般在接觸面涂上硅脂以提高導(dǎo)熱率。變壓器和電感線圈應(yīng)選用較粗的導(dǎo)線來抑制溫升。

5 安全性設(shè)計

對于電源而言，安全性歷來被確定為最重要的性能之一，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規(guī)定的功能，而且還有可能發(fā)生嚴重事故，造成機毀人亡的巨大損失。為保證產(chǎn)品具有相當高的安全性，必須進行安全性設(shè)計。電源產(chǎn)品安全性設(shè)計的內(nèi)容主要是防止觸電和燒傷。

對于商用設(shè)備市場，具有代表性的安全標準有 UL 、 CSA 、 VDE 等，內(nèi)容因用途而異，容許泄漏電流在 05mA ～ 5mA 之間，我國軍用標準 GJB1412 規(guī)定的泄漏電流小于 5mA 。電源設(shè)備對地泄漏電流的大小取決于 EMI 濾波器電容 Cy 的容量，如圖 2 所示。從 EMI 濾波器角度出發(fā)電容 Cy 的容量越大越好，但從安全性角度出發(fā)電容 Cy 的容量越小越好，電容 Cy 的容量根據(jù)安全標準來決定。若電容 Cx 的安全性能欠佳，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時可能被擊穿，它的擊穿雖然不危及人身安全，但會使濾波器喪失濾波功能。為了防止誤觸電，插頭座原則上產(chǎn)品端 ( 非電源端 ) 為針，電網(wǎng)端 ( 電源端 ) 為孔；電源設(shè)備之輸入端為針，輸出端為孔。

為了防止燒傷，對于可能與人體接觸的暴露部件 ( 散熱器、機殼等 ) ，當環(huán)境溫度為 25℃ 時，其最高溫度不應(yīng)超過 60℃ ，面板和手動調(diào)節(jié)部分的最高溫度不超過 50℃ 。

6 三防設(shè)計

三防設(shè)計是指防潮設(shè)計、防鹽霧設(shè)計和防霉菌設(shè)計。

在設(shè)計時，對于密封有要求的元器件應(yīng)采取密封措施；對于不可修復(fù)的組合裝置可采用環(huán)氧樹脂灌封；所用元器件、原材料的吸濕度應(yīng)較小，不得使用含有棉、麻、絲等易霉制品；對密封機箱、機柜應(yīng)設(shè)置防護網(wǎng)，以防昆蟲和嚙齒動物進入；直接暴露在大氣中裝置的外頂部不應(yīng)采用凹陷結(jié)構(gòu)，避免積水導(dǎo)致腐蝕；可以選用耐蝕材料，再通過鍍、涂或化學(xué)處理使電子設(shè)備及其零部件的表面覆蓋一層金屬或非金屬保護膜，隔離周圍介質(zhì)；在結(jié)構(gòu)上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環(huán)境；對印制板及組件表面涂覆專用的三防清漆可以有效地避免導(dǎo)線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性；電感、變壓器應(yīng)進行浸漆、端封，以防潮氣進入引發(fā)短路事故。

7 結(jié)語

以上建議只適用于軍用電源，對于商用和工業(yè)用產(chǎn)品可以在某些方面作出不同的選擇?？傊娫丛O(shè)備可靠性的高低，不僅與電氣設(shè)計，而且同元器件、結(jié)構(gòu)、裝配、工藝、加工質(zhì)量等方面有關(guān)?？煽啃允且栽O(shè)計為基礎(chǔ)，在實際工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過各種試驗取得反饋數(shù)據(jù)來完善設(shè)計，進一步提高電源的可靠性。