星載開(kāi)關(guān)電源可靠性設計

標簽：模擬 電子 IT 半導體

1 引言

電子產(chǎn)品，特別是星載開(kāi)關(guān)電源的設計是一個(gè)復雜系統工程，不但要考慮電源本身參數設計，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(gè)星載電源甚至整顆衛星的崩潰，所以星載電源產(chǎn)品可靠性設計極關(guān)重要。

2 開(kāi)關(guān)電源電氣可靠性設計

2.1 電路拓撲的選擇

開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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，但可能出現單向偏磁飽和，使開(kāi)關(guān)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。

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(diǎn)：自動(dòng)對稱(chēng)校正、固有的電流限制、簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)技術(shù)因開(kāi)關(guān)損耗的限制，開(kāi)關(guān)頻率一般在400kHz以下;軟開(kāi)關(guān)技術(shù)利用諧振原理使開(kāi)關(guān)器件在零電壓開(kāi)通或零電流關(guān)斷，實(shí)現開(kāi)關(guān)損耗為零，從而可使開(kāi)關(guān)頻率達到兆赫級水平。但是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)主要應用于大功率電源，中小功率電源中仍以PWM技術(shù)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(gè)方面：

(1)產(chǎn)品質(zhì)量質(zhì)量問(wèn)題造成的失效與工作應力無(wú)關(guān)。在衛星工程應用時(shí)選用定點(diǎn)生產(chǎn)廠(chǎng)家的成熟產(chǎn)品，不允許使用沒(méi)有經(jīng)過(guò)認證的產(chǎn)品。

(2)元器件可靠性

元器件可靠性問(wèn)題即基本失效率的問(wèn)題，這是一種隨機性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問(wèn)題的區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(jìn)行應力篩選試驗，通過(guò)篩選可使元器件失效率降低1～2個(gè)數量級，當然篩選試驗代價(jià)(時(shí)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(huì )延長(cháng)。電源設備主要元器件的篩選試驗一般要求：①電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100%測試，剔除不合格品。

②普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100%測試，剔除不合格品。

③接插件按技術(shù)條件抽樣檢測各種參數。

④半導體器件按以下程序進(jìn)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→常溫測試篩選結束后應計算剔除率Q Q=(n / N)×100%式中：N——受試樣品總數;n——被剔除的樣品數;如果Q超過(guò)標準規定的上限值，則本批元器件全部不準上機，并按有關(guān)規定處理。

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

(3)設計(i)元器件的選用：

①盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件。

②多采用集成電路，減少分立器件的數目。

③開(kāi)關(guān)管選用MOSFET能簡(jiǎn)化驅動(dòng)電路，減少損耗。

④輸出整流管盡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。

⑥集成電路必須是一類(lèi)品或者是符合MIL-M-38510、MIL-S-19500標準B-1以上質(zhì)量等級的軍品。

⑦設計時(shí)盡量少用繼電器，確有必要時(shí)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(jìn)行固封處理。

⑨吸收電容器與開(kāi)關(guān)管和輸出整流管的距離應當很近，因流過(guò)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(shí)，電解質(zhì)會(huì )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(shí)間長(cháng)，性能穩定可靠，但鉭電解電容較重、容積比低、不耐反壓、高壓品種(>125V)較少、價(jià)格昂貴。

(ii)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(dòng)、沖擊、頻率、速度、碰撞等)。不同的元器件降額標準亦不同，實(shí)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(kāi)關(guān)電源常用元器件的降額系數：①電阻的功率降額系數在0.1～0.5之間。

②二極管的功率降額系數在0.4以下，反向耐壓在0.5以下。

③發(fā)光二極管電壓降額系數在0.6以下，功率降額系數在0.6以下。

④功率開(kāi)關(guān)管電壓降額系數在0.6以下，電流降額系數在0.5以下。

⑤普通鋁電解電容和無(wú)極性電容的電壓降額系數在0.3～0.7之間。

⑥鉭電容的電壓降額系數在0.3以下。

⑦電感和變壓器的電流降額系數在0.6以下。

(4)損耗損耗引起的元器件失效取決于工作時(shí)間的長(cháng)短，與工作應力無(wú)關(guān)。比如鋁電解電容長(cháng)期在高頻下工作會(huì )使電解液逐漸損失，同時(shí)容量亦同步下降，當電解液損失40%時(shí)，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(shí)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(guò)壓、欠壓、過(guò)載、短路、過(guò)熱等保護電路。