開關電源的可靠性設計

電源研發精英圈 2023-08-21 20:01

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1　引言

開關電源是各種系統的核心部分。開關電源的需求越來越大，同時對可靠性提出了越來越高的要求。涉及系統可靠性的因素很多。目前，人們認識上的主要誤區是把可靠性完全（或基本上）歸結于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統設計和環境溫度對可靠性的決定性的作用。據美國海軍電子實驗室的統計，整機出現故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。

在民用電子產品領域，日本的統計資料表明，可靠性問題80％源于設計方面（日本把元器件的選型、質量級別的確定、元器件的負荷率等部分也歸入設計上的原因）。以上兩方面的數據表明，設計及元器件（元器件的選型，質量級別的確定，元器件的負荷率）的原因造成的故障，在開關電源故障原因中占80％左右。減少這兩方面造成的開關電源故障，具有重要的意義。總之，對系統的設計者而言，需要明確建立“可靠性”這個重要概念，把系統的可靠性作為重要的技術指標，認真對待開關電源可靠性的設計工作，并采取足夠的措施提高開關電源的可靠性，才能使系統和產品達到穩定、可靠的目標。本文就從這兩個方面來研究與闡述。

2 系統可靠性的定義及指標

國際上，通用的可靠性定義為：在規定條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力。此定義適用于一個系統，也適用于一臺設備或一個單元。描述這種隨機事件的概率可用來作為表征開關電源可靠性的特征量和特征函數。從而，引出可靠度[R（t）]的定義：系統在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的概率。

如系統在開始（t=0）時有n0個元件在工作，而在時間為t時仍有n個元件在正常工作，

　　則

　　可靠性　　 R(t)=n/n0　　0≤R(t) ≤1

　　失效率　　 λ(t)= - dinR(t)/dt

λ定義為該種產品在單位時間內的故障數，即λ=dn/dt。

如失效率λ為常數，則?

?????? dn/dt=-λt

　　n=n0e-λt

　　R(t)=e-λt0　　　　　

　　MTBF（平均無故障時間）=1/λ

平均無故障時間（MTBF）是開關電源的一個重要指標，用來衡量開關電源的可靠性。

3　影響開關電源可靠性的因素
　　
從各研究機構研究成果可以看出，環境溫度和負荷率對可靠性影響很大，這兩個方面對開關電源的影響很大，下面將從這兩方面分析，如何設計出高可靠的開關電源。其中：PD為使用功率；PR為額定功率。UD為使用電壓；UR為額定電壓。

3.1 環境溫度對元器件的影響

3.1.1 環境溫度對半導體IC的影響

硅三極管以PD/PR=0.5使用負荷設計，則環溫度對可靠性的影響，如表2所示。

由表2可知，當環境溫度Ta從20℃增加到80℃時，失效率增加了30倍。

3.1.2 環境溫度對電容器的影響
　?
以UD/UR=0.65使用負荷設計則環境溫度對可靠性的影響如表3所示。

從表3可知，當環境溫度Ta從20℃增加到80℃時，失效率增加了14倍。

3.1.3 環境溫度對電阻器的影響

以PD/PR=0.5使用負荷設計，則環境溫度對可靠性的影響如表4所示。

從表4可知，當環境溫度Ta從20℃增加到80℃時，失效率增加了4倍。

3.2 負荷率對元器件的影響

3.2.1 負荷率對半導體IC的影響　　　?
當環境溫度為50℃時，PD/PR對失效率的影響如表5所示。

由表5可知，當PD/PR=0.8時，失效率比0.2時增加了1000倍。

3.2.2 負荷率對電阻的影響

負荷率對電阻的影響如表6所示。

從表6可以看出，當PD/PR=0.8時，失效率比PD/PR=0.2時增加了8倍。

4　可靠性設計的原則

我們可以從上面的分析中得出開關電源的可靠性設計原則。

4.1可靠性設計指標應包含定量的可靠性要求。

　　4.2可靠性設計與器件的功能設計相結合，在滿足器件性能指標的基礎上，盡量提高器件的可靠性水平。

　　4.3應針對器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相應制約因素進行綜合平衡設計。

　　4.4在可靠性設計中盡可能采用國、內外成熟的新技術、新結構、新工藝和新原理。

　　4.5對于關鍵性元器件，采用并聯方式，保證此單元有足夠的冗余度。

　　4.6 原則上要盡一切可能減少元器件使用數目。

　　4.7在同等體積下盡量采用高額度的元器件。

　　4.8 選用高質量等級的元器件。

　　4.9 原則上不選用電解電容。

　　4.10 對電源進行合理的熱設計，控制環境溫度，不致溫度過高，導致元器件失效率增加。

　　4.11 盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件。

　　4.12 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。

5　可靠性設計

5.1 負荷率的設計

由于負荷率對可靠性有重大影響，故可靠性設計重要的一個方面是負荷率的設計，根據元器件的特性及實踐經驗，元器件的負荷率在下列數值時，電源系統的可靠性及成本是較優

的。

5.1.1半導體元器件　　　?

半導體元器件的電壓降額應在0.6以下，電流降額系數應在0.5以下。半導體元器件除負荷率外還有容差設計，設計開關電源時，應適當放寬半導體元器件的參數允許變化范圍，包括制造容差、溫度漂移、時間漂移、輻射導致的漂移等。以保證半導體元器件的參數在一定范圍內變化時，開關電源仍能正常工作。

5.1.2電容器　　　?
電容器的負荷率（工作電壓和額定電壓之比）最好在0.5左右，一般不要超過0.8，并且盡量使用無極性電容器。而且，在高頻應用的情況下，電壓降額幅度應進一步加大，對電解電容器更應如此。應特別注意，電容器有低壓失效的問題，對于普通鋁電解電容器和無極性電容的電壓降額不低于0.3，但鉭電容的電壓降額應在0.3以下。電壓降額不能太多，否則電容器的失效率將上升。

5.1.3電阻器、電位器?
電阻器、電位器的負荷率要小于0.5,此為電阻器設計的上限值；但是大量試驗證明，當電阻器降額數低于0.1時，將得不到預期的效果，失效率有所增加，電阻降額系數以0.1為可靠性降額設計的下限值。
　　　?
總之，對各種元器件的負荷率只要有可能，一般應保持在0.3左右。最好不要超過0.5。這樣的負荷率，對電源系統造成不可靠的機率是非常小的。

5.2 電源的熱設計　　
開關電源內部過高的溫升將會導致溫度敏感的半導體器件、電解電容等元器件的失效。當溫度超過一定值時，失效率呈指數規律增加。有統計資料表明，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。除了電應力之外，溫度是影響開關電源可靠性的最重要的因素。高頻開關電源有大功率發熱器件，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一，完整的熱設計包括兩個方面：一如何控制發熱源的發熱量；二如何將熱源產生的熱量散出去。使開關電源的溫升控制在允許的范圍之內，以保證開關電源的可靠性。下面將從這兩個方面論述。

　5.2.1 控制發熱量的設計　　　
開關電源中主要的發熱元器件為半導體開關管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同器件有不同的控制發熱量的方法。功率管是高頻開關電源中發熱量較大的器件之一，減小它的發熱量，不僅可以提高功率管的可靠性，而且可以提高開關電源的可靠性，提高平均無故障時間（MTBF）。開關管的發熱量是由損耗引起的，開關管的損耗由開關過程損耗和通態損耗兩部分組成，減小通態損耗可以通過選用低通態電阻的開關管來減小通態損耗；開關過程損耗是由于柵電荷大小及開關時間引起的，減小開關過程損耗可以選擇開關速度更快、恢復時間更短的器件來減少。但更為重要的是通過設計更優的控制方式和緩沖技術來減小損耗，如采用軟開關技術，可以大大減小這種損耗。減小功率二極管的發熱量，對交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會有更好的控制技術來減小損耗，可以通過選擇高質量的二極管來減小損耗。對于變壓器二次側的整流可以選擇效率更高的同步整流技術來減小損耗。對于高頻磁性材料引起的損耗，要盡量避免趨膚效應，對于趨膚效應造成的影響，可采用多股細漆包線并繞的辦法來解決。

5.2.2 開關電源的散熱設計
MOS管導通時有一定的壓降，也即器件有一定的損耗，它將引起芯片的溫升，但是器件的發熱情況與其耐熱能力和散熱條件有關。由此，器件功耗有一定的容限。其值按熱歐姆定律可表示為：

??? PD="Tj-Tc/RT"
　　
式中，Tj 是額定結溫（Tj=150℃），Tc是殼溫，RT是結到管殼間的穩態熱阻，Tj代表器件的耐熱能力，Tc和 RT代表器件的散熱條件，而PD就是器件的發熱情況。它必須在器件的耐熱能力和散熱條件之間取得平衡。
　　　?
散熱有三種基本方式：熱傳導、熱輻射、熱對流。根據散熱的方式，可以選自然散熱：加裝散熱器；或選擇強制風冷：加裝風扇。加裝散熱器主要利用熱傳導和熱對流，即所有發熱元器件均先固定在散熱器上，熱量通過傳導方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過能流換熱的方式由空氣傳遞熱量，進行散熱。

5.2.3 ?電源的散熱仿真

散熱仿真是開發電源產品以及提供產品材料指南一個重要的組成部分。優化模塊外形尺寸是終端設備設計的發展趨勢，這就帶來了從金屬散熱片向 PCB 覆銅層散熱管理轉換的問題。當今的一些模塊均使用較低的開關頻率，用于開關模式電源和大型無源組件。對于驅動內部電路的電壓轉換和靜態電流而言，線性穩壓器的效率較低。

隨著功能越來越豐富，性能越來越高，設備設計也變得日益緊湊，這時 IC 級和系統級的散熱仿真就顯得非常重要了。

??? 一些應用的工作環境溫度為 70 到 125℃，并且一些裸片尺寸車載應用的溫度甚至高達 140℃，就這些應用而言，系統的不間斷運行非常重要。進行電子設計優化時，上述兩類應用的瞬態和靜態最壞情況下的精確散熱分析正變得日益重要。

散熱管理

散熱管理的難點在于要在獲得更高散熱性能、更高工作環境溫度以及更低覆銅散熱層預算的同時，縮小封裝尺寸。高封裝效率將導致產生熱量組件較高的集中度，從而帶來在 IC 級和封裝級極高的熱通量。

系統中需要考慮的因素包括可能會影響分析器件溫度、系統空間和氣流設計/限制條件等其他一些印刷電路板功率器件。散熱管理要考慮的三個層面分別為：封裝、電路板和系統（請參見圖 1）。

圖 1 IC 封裝中典型的熱傳遞路徑

低成本、小外形尺寸、模塊集成和封裝可靠性是選擇封裝時需要考慮的幾個方面。由于成本成為關鍵的考慮因素，因此基于引線框架的散熱增強封裝正日益受到人們的青睞。這種封裝包括內嵌散熱片或裸露焊盤和均熱片型封裝，設計旨在提高散熱性能。在一些表面貼裝封裝中，一些專用引線框架在封裝的每一面均熔接幾條引線，以起到均熱器的作用。這種方法為裸片焊盤的熱傳遞提供了較好的散熱路徑。

IC 與封裝散熱仿真

散熱分析要求詳細、準確的硅芯片產品模型和外殼散熱屬性。半導體供應商提供硅芯片 IC 散熱機械屬性和封裝，而設備制造商則提供模塊材料的相關信息。產品用戶提供使用環境資料。

這種分析有助于 IC 設計人員對電源 FET 尺寸進行優化，以適用于瞬態和靜態運行模式中的最壞情況下的功耗。在許多電源電子 IC 中，電源 FET 都占用了裸片面積相當大的一部分。散熱分析有助于設計人員優化其設計。

選用的封裝一般會讓部分金屬外露，以此來提供硅芯片到散熱器的低散熱阻抗路徑。模型要求的關鍵參數如下：

硅芯片尺寸縱橫比和芯片厚度。
功率器件面積和位置，以及任何發熱的輔助驅動電路。
電源結構厚度（硅芯片內分散情況）。
硅芯片連接至外露金屬焊盤或金屬突起連接處的裸片連接面積與厚度?？赡馨闫B接材料氣隙百分比。
外露金屬焊盤或金屬突起連接處的面積和厚度。
使用鑄模材料和連接引線的封裝尺寸。

需提供模型所用每一種材料的熱傳導屬性。這種數據輸入還包括所有熱傳導屬性的溫度依賴性變化，這些傳導屬性具體包括：

硅芯片熱傳導性
裸片連接、鑄模材料的熱傳導性
金屬焊盤或金屬突起連接處的熱傳導性。
封裝類型 (packageproduct) 和 PCB 相互作用

散熱仿真的一個至關重要的參數是確定焊盤到散熱片材料的熱阻，其確定方法主要有以下幾種：

多層 FR4 電路板（常見的為四層和六層電路板）
單端電路板
頂層及底層電路板

散熱和熱阻路徑根據不同的實施方法而各異：

連接至內部散熱片面板的散熱焊盤或突起連接處的散熱孔。使用焊料將外露散熱焊盤或突起連接處連接至 PCB 頂層。
位于外露散熱焊盤或突起連接處下方PCB 上的一個開口，可以和連接至模塊金屬外殼的伸出散熱片基座相連。
利用金屬螺釘將散熱層連接至金屬外殼的 PCB 頂部或底部覆銅層上的散熱片。使用焊料將外露散熱焊盤或突起連接處連接至 PCB 的頂層。

另外，每層 PCB 上所用鍍銅的重量或厚度非常關鍵。就熱阻分析而言，連接至外露焊盤或突起連接處的各層直接受這一參數的影響。一般而言，這就是多層印刷電路板中的頂部、散熱片和底部層。

大多數應用中，其可以是兩盎司重的覆銅（2 盎司銅=2.8 mils或 71 μm）外部層，以及1盎司重的覆銅（1盎司銅= 1.4 mils 或 35μm）內部層，或者所有均為 1 盎司重的覆銅層。在消費類電子應用中，一些應用甚至會使用 0.5 盎司重的覆銅（0.5 盎司銅= 0.7 mils 或 18 μm）層。

模型資料

仿真裸片溫度需要一張 IC 平面布置圖，其中包括裸片上所有的電源FET 以及符合封裝焊接原則的實際位置。

每一個 FET 的尺寸和縱橫比，對熱分布都非常重要。需要考慮的另一個重要因素是 FET 是否同時或順序上電。模型精度取決于所使用的物理數據和材料屬性。

模型的靜態或平均功耗分析只需很短的計算時間，并且一旦記錄到最高溫度時便出現收斂。

瞬態分析要求功耗－時間對比數據。我們使用了比開關電源情況更好的解析步驟來記錄數據，以精確地對快速功率脈沖期間的峰值溫度上升進行捕獲。這種分析一般費時較長，且要求比靜態功率模擬更多的數據輸入。

該模型可仿真裸片連接區域的環氧樹脂氣孔，或 PCB 散熱板的鍍層氣孔。在這兩種情況下，環氧樹脂/鍍層氣孔都會影響封裝的熱阻（請參見圖 2）。