1 引言

　　電子產(chǎn)品，特別是星載開關電源的設計是一個復雜系統(tǒng)工程,，不但要考慮電源本身參數(shù)設計,，還要考慮電氣設計、電磁兼容設計,、安全性設計,、熱設計等方面。因為任何方面哪怕是極微小的疏忽,，都有可能導致整個星載電源甚至整顆衛(wèi)星的崩潰,，所以星載電源產(chǎn)品可靠性設計極關重要?！?/p>

　　2 開關電源電氣可靠性設計

　　2.1 電路拓撲的選擇

　　開關電源一般采用buck型、boost型,、Cuk型,、雙管正激型、雙管反激型,、單端正激型,、單端反激型、推挽型,、半橋型,、全橋型等十種拓撲。為避免開關管承受兩倍直流輸入電壓并考慮到降額使用,，一般采用雙管正激型和半橋型電路,。而推挽型和全橋型拓撲雖然也承受單倍直流輸入電壓，但可能出現(xiàn)單向偏磁飽和,，使開關管損壞,，故在高可靠性工程上一般選用雙管正激型和半橋型電路拓撲?！?/p>

　　2.2 控制方法的選擇

　　電流型PWM控制較電壓控制型有如下優(yōu)點：自動對稱校正,、固有的電流限制、簡單的 回路補償,、紋波比電壓控制型小得多和良好的并聯(lián)工作能力,。 硬開關技術因開關損耗的限制，開關頻率一般在400kHz以下；軟開關技術利用諧振原理使開關器件在零電壓開通或零電

流關斷,，實現(xiàn)開關損耗為零,，從而可使開關頻率達到兆赫級水平。但是軟開關技術主要應用于大功率電源,，中小功率電源中仍以PWM技術為主,。　

　　2.3 元器件的選用

　　元器件直接決定了電源的可靠性,，元器件的失效主要集中在以下四個方面：　

　?。?）產(chǎn)品質(zhì)量

　　質(zhì)量問題造成的失效與工作應力無關。在衛(wèi)星工程應用時選用定點生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品,，不允許使用沒有經(jīng)過認證的產(chǎn)品,。　

　?。?）元器件可靠性

　　元器件可靠性問題即基本失效率的問題,，這是一種隨機性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問題的區(qū)別是元器件的失效率取決于工作應力水平,。應先對元器件進行應力篩選試驗,，通過篩選可使元器件失效率降低1～2個數(shù)量級，當然篩選試驗代價(時間與費用)很大,，但綜合各方面因素還是合算的,，研制周期也不會延長。電源設備主要元器件的篩選試驗一般要求：
　　?、匐娮柙谑覝叵掳醇夹g條件進行100％測試,，剔除不合格品。
　　?、谄胀娙萜髟谑覝叵掳醇夹g條件進行100％測試,，剔除不合格品。
　　?、劢硬寮醇夹g條件抽樣檢測各種參數(shù),。
　　　④半導體器件按以下程序進行篩選：
　　　目檢→初測→高溫貯存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測試→低溫測試→常溫測試

　　篩選結(jié)束后應計算剔除率Q
　　Q=(n / N)×100%　
　　式中：N——受試樣品總數(shù),；
　　　　　n——被剔除的樣品數(shù),；　

　　如果Q超過標準規(guī)定的上限值，則本批元器件全部不準上機,，并按有關規(guī)定處理,。

　　在符合標準規(guī)定時，則將篩選合格的元器件打漆點標注,，然后入專用庫房供裝機使用,。

　?。?）設計

　　（i）元器件的選用：　

　?、俦M量選用硅半導體器件,，少用或不用鍺半導體器件。
　?、诙嗖捎眉呻娐?，減少分立器件的數(shù)目。
　?、坶_關管選用MOSFET能簡化驅(qū)動電路,，減少損耗。
　?、茌敵稣鞴鼙M量采用具有軟恢復特性的二極管,。
　　⑤應選擇金屬封裝,、陶瓷封裝,、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件,。
　?、藜呻娐繁仨毷且活惼坊蛘呤欠螹IL－M－38510、MIL－S－19500標準B－1以上質(zhì)量等級的軍品,。
　?、咴O計時盡量少用繼電器，確有必要時應選用接觸良好的密封繼電器,。
　　⑧原則上不選用電位器,，必須保留的應進行固封處理,。
　　⑨吸收電容器與開關管和輸出整流管的距離應當很近,，因流過高頻電流,，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性,。由于受空間粒子轟擊時,，電解質(zhì)會分解，所以鋁電解電容也不適用于航天電子設備的電源中,。鉭電解電容溫度和頻率特性較好,，耐高低溫，儲存時間長,，性能穩(wěn)定可靠,，但鉭電解電容較重,、容積比低、不耐反壓,、高壓品種(>125V)較少,、價格昂貴?！?/p>

　?。╥i）降額設計：

　　電子元器件的基本失效率取決于工作應力(包括電、溫度,、振動,、沖擊、頻率,、速度,、碰撞等)。不同的元器件降額標準亦不同,，實踐表明,，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應力和溫度，因而降額也主要是控制這兩種應力,，以下為開關電源常用元器件的降額系數(shù)：
?、匐娮璧墓β式殿~系數(shù)在0.1～0.5之間。
?、诙O管的功率降額系數(shù)在0.4以下,，反向耐壓在0.5以下。
?、郯l(fā)光二極管電壓降額系數(shù)在0.6以下,，功率降額系數(shù)在0.6以下。
?、芄β书_關管電壓降額系數(shù)在0.6以下,，電流降額系數(shù)在0.5以下。
?、萜胀ㄤX電解電容和無極性電容的電壓降額系數(shù)在0.3～0.7之間,。
　⑥鉭電容的電壓降額系數(shù)在0.3以下,。
?、唠姼泻妥儔浩鞯碾娏鹘殿~系數(shù)在0.6以下。

?。?）損耗

　 損耗引起的元器件失效取決于工作時間的長短,，與工作應力無關。 比如鋁電解電容長期在高頻下工作會使電解液逐漸損失,，同時容量亦同步下降,，當電解液損失40％時,，容量下降20％。為防止發(fā)生故障,，應在圖紙上標明鋁電解電容器更換的時間,，到期強迫更換。

　　2.4 保護電路的設置

　　為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作,，應設置多種保護電路,，如防浪涌沖擊、過壓,、欠壓,、過載、短路,、過熱等保護電路,。　

　　3 電磁兼容性(EMC)設計

　　開關電源因采用PWM技術,，其脈沖波形呈矩形,，上升沿與下降沿均包含大量的諧波成分，輸出整流管的反向恢復也會產(chǎn)生電磁干擾(EMI),，這是影響可靠性的不利因素,，故電磁兼容性成為系統(tǒng)的重要問題。產(chǎn)生電磁干擾有三個途徑：干擾源,、傳輸介質(zhì),、接收單元。EMC設計就是破壞這三個途徑中的一個,?！?/p>

　　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,，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1,。電源EMI濾波器實際上是一種LC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(chǎn)生的干擾信號,，電源EMI濾波器最好安裝在機殼電源線進口的插座附近。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,，參見圖1，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?！?/p>

　　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(fā)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,。
　　?、诰彌_電路盡量貼近開關管和輸出整流二極管。
　　?、勖}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。
　　?、芸刂齐娐泛凸β孰娐贩珠_,，采用單點接地方式，大面積接地容易引起天線效應,，故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,。
　　?、薏捎枚嘀坏虴SR（等效串聯(lián)電阻）的電容并聯(lián)濾波。
　　?、卟捎勉~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,，也不要有直角拐彎,。禁止環(huán)形走線。
　　?、釣V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(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,。目前衛(wèi)星電源產(chǎn)品大都采用鋁合金外殼,，但鋁合金導磁性能差，外殼需要鍍一層鎳或噴涂導電漆,，內(nèi)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(xù)焊縫結(jié)構(gòu)，需拆卸的可以用導電橡膠條壓緊來保證電磁連續(xù)性,。導電材料要求導電性能高,、有彈性、具有最小的寬厚比,?！?/p>

　　4 安全性設計

　　就電源產(chǎn)品而言，必須進行安全性設計,，對衛(wèi)星電源尤其如此,。電源產(chǎn)品安全性設計的內(nèi)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,、CCC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,。電源設備對地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器電容Cy的容量。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Cy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,；電源設備之輸入端為針,，輸出端為孔?！?/p>

　　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,，其最高溫度不應超過60℃，面板和手動調(diào)節(jié)部分的最高溫度不超過50℃,。

　　5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(nèi)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(shù)規(guī)律增加，溫度超過極限值時將導致元器件失效,。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,。這就需要進行熱設計,，熱設計的原則，一是減少發(fā)熱量,，即選用更優(yōu)的控制方式和技術,，如同步整流技術、移相控制技術等,，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,、對流,、輻射原 理將熱量轉(zhuǎn)移，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。　

　　強迫風冷的散熱量雖比自然冷卻大十倍以上,，但是由于風機產(chǎn)生了噪聲和振動,，故在一般情況下應盡量采用自然冷卻，星載電源不采用風冷,、液冷之類的冷卻方式,。在元器件布局時，應將發(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,。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,。

　　6 結(jié)語

　　以上建議只適用于星載電源,，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?，電源設備可靠性的高低，不僅與電氣設計,，而且同元器件,、結(jié)構(gòu)、工藝,、裝配,、加工質(zhì)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(shù)據(jù)來完善設計,，進一步提高電源的可靠性,。