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星载开关电源可靠性设计

钜大LARGE  |  点击量:44次  |  2020年05月15日  

摘要
1 引言电子产品,特别是星载开关电源的设计是一个复杂系统工程,不但要考虑电源本身参数设计,还要考虑电气设计、电磁兼容设计、安全性设计、热设计等方面。因为任何方面哪怕是极微小的疏忽,都有可能导致整个星载 ...

1引言


电子产品,特别是星载开关电源的设计是一个复杂系统工程,不但要考虑电源本身参数设计,还要考虑电气设计、电磁兼容设计、安全性设计、热设计等方面。因为任何方面哪怕是极微小的疏忽,都有可能导致整个星载电源甚至整颗卫星的崩溃,所以星载电源产品可靠性设计极关重要。


2开关电源电气可靠性设计


2.1电路拓扑的选择


开关电源一般采用buck型、boost型、Cuk型、双管正激型、双管反激型、单端正激型、单端反激型、推挽型、半桥型、全桥型等十种拓扑。为防止开关管承受两倍直流输入电压并考虑到降额使用,一般采用双管正激型和半桥型电路。而推挽型和全桥型拓扑虽然也承受单倍直流输入电压,但可能出现单向偏磁饱和,使开关管损坏,故在高可靠性工程上一般选用双管正激型和半桥型电路拓扑。


2.2控制方法的选择


电流型pWM控制较电压控制型有如下优点:自动对称校正、固有的电流限制、简单的回路补偿、纹波比电压控制型小得多和良好的并联工作能力。硬开关技术因开关损耗的限制,开关频率一般在400kHz以下;软开关技术利用谐振原理使开关器件在零电压开通或零电


流关断,实现开关损耗为零,从而可使开关频率达到兆赫级水平。但是软开关技术重要应用于大功率电源,中小功率电源中仍以pWM技术为主。


2.3元器件的选用


元器件直接决定了电源的可靠性,元器件的失效重要集中在以下四个方面:


(1)产品质量


质量问题造成的失效与工作应力无关。在卫星工程应用时选用定点生产厂家的成熟产品,不允许使用没有经过认证的产品。


(2)元器件可靠性


元器件可靠性问题即基本失效率的问题,这是一种随机性质的失效,与质量问题的差别是元器件的失效率取决于工作应力水平。应先对元器件进行应力筛选试验,通过筛选可使元器件失效率降低1~2个数量级,当然筛选试验代价(时间与费用)很大,但综合各方面因素还是合算的,研制周期也不会延长。电源设备重要元器件的筛选试验一般要求:①电阻在室温下按技术条件进行100%测试,剔除不合格品。②普通电容器在室温下按技术条件进行100%测试,剔除不合格品。③接插件按技术条件抽样检测各种参数。④半导体器件按以下程序进行筛选:目检→初测→高温贮存→高低温冲击→电功率老化→高温测试→低温测试→常温测试


筛选结束后应计算剔除率QQ=(n/N)×100%式中:N——受试样品总数;n——被剔除的样品数;


假如Q超过标准规定的上限值,则本批元器件全部不准上机,并按有关规定处理。


在符合标准规按时,则将筛选合格的元器件打漆点标注,然后入专用库房供装机使用。


(3)设计


(i)元器件的选用:


①尽量选用硅半导体器件,少用或不用锗半导体器件。②多采用集成电路,减少分立器件的数目。③开关管选用MOSFET能简化驱动电路,减少损耗。④输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。⑤应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器件。⑥集成电路必须是一类品或者是符合MIL-M-38510、MIL-S-19500标准B-1以上质量等级的军品。⑦设计时尽量少用继电器,确有必要时应选用接触良好的密封继电器。⑧原则上不选用电位器,必须保留的应进行固封处理。⑨吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近,因流过高频电流,故易升温,所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。由于受空间粒子轰击时,电解质会分解,所以铝电解电容也不适用于航天电子设备的电源中。钽电解电容温度和频率特性较好,耐高低温,储存时间长,性能稳定可靠,但钽电解电容较重、容积比低、不耐反压、高压品种(>125V)较少、价格昂贵。


(ii)降额设计:


电子元器件的基本失效率取决于工作应力(包括电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等)。不同的元器件降额标准亦不同,实践表明,大部分电子元器件的基本失效率取决于电应力和温度,因而降额也重要是控制这两种应力,以下为开关电源常用元器件的降额系数:①电阻的功率降额系数在0.1~0.5之间。②二极管的功率降额系数在0.4以下,反向耐压在0.5以下。③发光二极管电压降额系数在0.6以下,功率降额系数在0.6以下。④功率开关管电压降额系数在0.6以下,电流降额系数在0.5以下。⑤普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数在0.3~0.7之间。⑥钽电容的电压降额系数在0.3以下。⑦电感和变压器的电流降额系数在0.6以下。


(4)损耗


损耗引起的元器件失效取决于工作时间的长短,与工作应力无关。比如铝电解电容长期在高频下工作会使电解液逐渐损失,同时容量亦同步下降,当电解液损失40%时,容量下降20%。为防止发生故障,应在图纸上标明铝电解电容器更换的时间,到期强迫更换。


2.4保护电路的设置


为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作,应设置多种保护电路,如防浪涌冲击、过压、欠压、过载、短路、过热等保护电路。


3电磁兼容性(EMC)设计


开关电源因采用pWM技术,其脉冲波形呈矩形,上升沿与下降沿均包含大量的谐波成分,输出整流管的反向恢复也会出现电磁干扰(EMI),这是影响可靠性的不利因素,故电磁兼容性成为系统的重要问题。出现电磁干扰有三个途径:干扰源、传输介质、接收单元。EMC设计就是破坏这三个途径中的一个。


关于开关电源而言,重要是抑制干扰源,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。传导噪声的频率范围很宽,从10kHz~30MHz,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,参见图1。电源EMI滤波器实际上是一种LC低通滤波器,它毫无衰减地把50Hz或400Hz交流电能传递给电子设备,却大大衰减传入的干扰信号,同时又能抑制设备本身出现的干扰信号,电源EMI滤波器最好安装在机壳电源线进口的插座附近。输出整流二极管的反向恢复也会引起电磁干扰,这种情况可以采用RC吸收电路来抑制电流的上升率,参见图1,通常R在(2~20)Ω之间,C在1000pF~10nF之间,C应选用高频瓷介电容。


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效应,故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。⑥采用多只低ESR(等效串联电阻)的电容并联滤波。⑦采用铜箔进行低感低阻配线。⑧相邻印制线之间不应有过长的平行线,走线尽量防止平行,采用垂直交叉方式,线宽不要突变,也不要有直角拐弯。禁止环形走线。⑨滤波器的输入和输出线必须分开。禁止将开关电源的输入线和输出线捆扎在一起。


关于辐射干扰重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,以保证电磁的持续性。目前卫星电源产品大都采用铝合金外壳,但铝合金导磁性能差,外壳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持续焊缝结构,需拆卸的可以用导电橡胶条压紧来保证电磁持续性。导电材料要求导电性能高、有弹性、具有最小的宽厚比。


4安全性设计


就电源产品而言,必须进行安全性设计,对卫星电源尤其如此。电源产品安全性设计的内容重要是防止触电和烧伤。关于商用设备市场,具有代表性的安全标准有UL、CSA、VDE、CCC等,内容因用途而异,容许泄漏电流在0.5mA~5mA之间,我国军用标准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滤波器电容Cy的容量。从EMI滤波器角度出发电容Cy的容量越大越好,但从安全性角度出发电容Cy的容量越小越好,电容Cy的容量根据安全标准来决定。若电容Cy的安全性能欠佳,电网瞬态尖峰出现时可能被击穿,它的击穿虽然不危及人身安全,但会使滤波器丧失滤波功能。


为了防止误触电,插头座原则上产品端(非电源端)为针,电网端(电源端)为孔;电源设备之输入端为针,输出端为孔。


为了防止烧伤,关于可能与人体接触的暴露部件(散热器、机壳等),当环境温度为25℃时,其最高温度不应超过60℃,面板和手动调节部分的最高温度不超过50℃。


5热设计


除了电应力之外,温度是影响设备可靠性最重要的因素。电源设备内部的温升将导致元器件的失效,当温度超过一定值时,失效率将呈指数规律新增,温度超过极限值时将导致元器件失效。国外统计资料表明电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%;温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6。这就要进行热设计,热设计的原则,一是减少发热量,即选用更优的控制方式和技术,如同步整流技术、移相控制技术等,另外就是选用低功耗的器件,减少发热器件的数目,加大加粗印制线的宽度,提高电源的效率。二是加强散热,即利用传导、对流、辐射原理将热量转移,包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法。


强迫风冷的散热量虽比自然冷却大十倍以上,但是由于风机出现了噪声和振动,故在一般情况下应尽量采用自然冷却,星载电源不采用风冷、液冷之类的冷却方式。在元器件布局时,应将发热器件安放在下风位置或在印制板的上部,散热器采用氧化发黑工艺处理,以提高辐射率,不允许用黑漆涂覆。散热器安装器件的平面要求光滑平整,一般在接触面涂上硅脂以提高导热率。变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升。


6结语


以上建议只适用于星载电源,关于商用和工业用产品可以在某些方面作出不同的选择。总之,电源设备可靠性的高低,不仅与电气设计,而且同元器件、结构、工艺、装配、加工质量等方面有关。可靠性是以设计为基础,在实际工程应用上,还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计,进一步提高电源的可靠性。


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