星载开关电源可靠性设计

　　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。为避免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。但是软开关技术主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，元器件的失效主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，与质量问题的区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。电源设备主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Q
　　Q=(n / N)×100%　
　　式中：N--受试样品总数；
　　　　　n--被剔除的样品数；　
   　　如果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。
   　　在符合标准规定时，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，因而降额也主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。

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   　　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产生电磁干扰(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。产生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。　
   　　对于开关电源而言，主要是抑制干扰源，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产生的干扰信号，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，走线尽量避免平行，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。　
   　　对于辐射干扰主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，以保证电磁的连续性。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，外壳需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连续焊缝结构，需拆卸的可以用导电橡胶条压紧来保证电磁连续性。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主要是防止触电和烧伤。对于商用设备市场，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，对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增加，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。这就需要进行热设计，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。　

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   　　强迫风冷的散热量虽比自然冷却大十倍以上，但是由于风机产生了噪声和振动，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，对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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