軍用開關電源可靠性設計研究

對于開關電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開關電路與輸出整流電路。采用的技術包括濾波技術、布局與布線技術、屏蔽技術、接地技術、密封技術等。 EMI 按傳播途徑分為傳導干擾和輻射干擾。傳導噪聲的頻率范圍很寬，從 10kHz ～ 30MHz ，我們雖然知道產生干擾的原因，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備，卻大大衰減傳入的干擾信號，同時又能抑制設備本身產生的干擾信號，防止它竄入電網，危害公網其它設備。選擇 EMI 濾波器是根據插入損耗的大小來選擇濾波器網絡結構和元器件參數，根據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。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 范圍內主要是常態噪聲，一般采用通用 LC 濾波器來解決。 150kHz ～ 10MHz 范圍內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 應選用高頻瓷介電容。

良好的布局和布線技術也是控制噪聲的一個重要手段。為減少噪聲的發生和防止由噪聲導致的誤動作，應注意以下幾點：

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管和輸出整流二極管。

③ 脈沖電流流過的區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 （等效串聯電阻）的電容并聯濾波。

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。禁止環形走線。

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

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

4 電源設備可靠性熱設計

除了電應力之外，溫度是影響設備可靠性最重要的因素。電源設備內部的溫升將導致元器件的失效，當溫度超過一定值時，失效率將呈指數規律增加，溫度超過極限值時將導致元器件失效。國外統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 。需要在技術上采取措施限制機箱及元器件的溫升，這就是熱設計。熱設計的原則，一是減少發熱量，即選用更優的控制方式和技術，如移相控制技術、同步整流技術等，另外就是選用低功耗的器件，減少發熱器件的數目，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、輻射、對流技術將熱量轉移，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、聯鎖裝置等，這不僅使設備的成本和復雜性增加，而且使系統的可靠性下降，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，應將發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熱率。變壓器和電感線圈應選用較粗的導線來抑制溫升。

5 安全性設計

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

對于商用設備市場，具有代表性的安全標準有 UL 、 CSA 、 VDE 等，內容因用途而異，容許泄漏電流在 05mA ～ 5mA 之間，我國軍用標準 GJB1412 規定的泄漏電流小于 5mA 。電源設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 濾波器角度出發電容 Cy 的容量越大越好，但從安全性角度出發電容 Cy 的容量越小越好，電容 Cy 的容量根據安全標準來決定。若電容 Cx 的安全性能欠佳，電網瞬態尖峰出現時可能被擊穿，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，插頭座原則上產品端 ( 非電源端 ) 為針，電網端 ( 電源端 ) 為孔；電源設備之輸入端為針，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 ) ，當環境溫度為 25℃ 時，其最高溫度不應超過 60℃ ，面板和手動調節部分的最高溫度不超過 50℃ 。

6 三防設計

三防設計是指防潮設計、防鹽霧設計和防霉菌設計。

在設計時，對于密封有要求的元器件應采取密封措施；對于不可修復的組合裝置可采用環氧樹脂灌封；所用元器件、原材料的吸濕度應較小，不得使用含有棉、麻、絲等易霉制品；對密封機箱、機柜應設置防護網，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采用凹陷結構，避免積水導致腐蝕；可以選用耐蝕材料，再通過鍍、涂或化學處理使電子設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；在結構上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環境；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線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性；電感、變壓器應進行浸漆、端封，以防潮氣進入引發短路事故。

7 結語

以上建議只適用于軍用電源，對于商用和工業用產品可以在某些方面作出不同的選擇?？傊娫丛O備可靠性的高低，不僅與電氣設計，而且同元器件、結構、裝配、工藝、加工質量等方面有關?？煽啃允且栽O計為基礎，在實際工程應用上，還應通過各種試驗取得反饋數據來完善設計，進一步提高電源的可靠性。