开关电源的可靠性分析

2014-04-23吕方超李玉忍兰根龙

电源技术 2014年6期

关键词：失效率元器件可靠性

吕方超，李玉忍，兰根龙

（西北工业大学自动化学院，陕西西安 710129）

电源作为一个电子系统中重要的部件，其可靠性决定了整个系统的可靠性。开关电源由于具有体积小、质量轻、效率高、输出稳定灵活等优点，在各个领域得到广泛应用。如何提高它的可靠性是电源技术的一个重要研究方面。

开关电源的可靠性也直接影响到系统制造商的最低成本，是整个系统设备能否正常工作的关键。在任何方面，哪怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以电源产品的可靠性分析和可靠性设计是非常重要的。

1 开关电源的组成及工作原理

开关电源是一种高频开关式的能量变换电子电路。开关电源是开关稳压电源的简称，用脉宽调制（PWM）驱动功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压[1]。开关电源主要由输入电路、变换电路、控制电路、输出电路等四个主体组成，具体如图1所示。

输入电路可将交流市电转化为符合要求的开关电源直流输入电源；变换电路是开关电源中电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出，这一级的开关功率管是其核心器件；控制电路向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的；输出电路把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。

2 影响开关电源可靠性的因素

图1 开关电源功能原理方框图

环境温度和负载率对开关电源可靠性的影响很大，尤其对元器件的失效率有显著影响，而元器件又直接决定了电源的可靠性。以下PD为使用功率、PR为额定功率、UD为使用电压、UR为额定电压。

2.1 环境温度对元器件的影响

环境温度对半导体、电容、电阻等元器件的可靠性均有很大影响。如表1所示，当温度从20℃增加到80℃时，硅三极管（在PD/PR=0.5负荷设计条件下）失效率增加了30倍；电容（在UD/UR=0.65负荷设计条件下）失效率增加了14倍；电阻器（在PD/PR=0.5负荷设计条件下）失效率增加了4倍。

表1 环境温度对各元器件可靠性的影响

2.2 负载率对元器件的影响

负载率对元器件失效率的影响同样很明显。以电阻器为例，在环境温度为50℃条件下，其PD/PR对电阻器失效率的影响如表2所示。当PD/PR=0.8时，失效率比PD/PR=0.2时增加了8倍。

表2 负载率对电阻器可靠性的影晌

同样，在环境温度为50℃条件下，当PD/PR=0.8时，半导体器件失效率比PD/PR=0.2时增加1 000倍。因此，在开关电源的设计和使用时，应尽量避免其负载率过大而导致电源故障。

3 开关电源的可靠性分析

利用开关电源的组成原理，对开关电源系统进行故障模式影响分析（FMEA），定性分析系统潜在的各种故障模式、原因和影响因素，并建立系统的故障树（FTA）。为简化计算，利用可靠性框图，快速预计法检验可靠性指标。

3.1 FMEA定性分析

3.1.1 系统正常工作状态及失效故障判定

该开关电源正常工作时，能够稳定输出符合要求的电压，各项指标均正常。如果其输出电压不稳定，或输出值不符合要求（或没有输出）则被视为功能失效故障。

3.1.2 FMEA分析中的有关约定

有一次，大林临时不值班，回家没看见一朵。电话打过去，原来一朵带着孩子在妈妈家。大林是想打牌了。他说，快点回来，有事。一朵说，正在吃饭呢，什么事？大林说，回来打牌，今天可以了。母亲问，大林的牌瘾怎么这么大？天天值夜班还没打够？夫妻之间打什么牌!

FMEA是在产品设计中的一个重要环节，通过对产品各组成单元潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响进行分析，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠性[2]。表3是针对该系统进行的严酷度等级的约定。

表3 严酷度等级

3.1.3 FMEA分析

采用功能法对开关电源进行FMEA，分析的对象是开关电源中的各个功能电路（图1中所示的各个功能方框单元）的故障模式[3]，分析结果如表4所示。

3.1.4 FMEA结论

严酷度为II、III类的故障模式较多，考虑增加对开关电源的冗余设计，选用高质量元器件，加强元器件二次筛选，提高电路的稳定性。另外，如果对应用了开关电源的系统任务可靠度要求高，可增加一块电源模块作为系统的备份设计。

3.2 FTA定性分析

故障树分析法（FTA）是一种图形演绎式故障分析方法，它对造成系统失效的各种因素进行自上而下的深入分析，最终找到对应的各种故障原因，即底事件，并用树状图表达出故障和各原因之间的因果关系，具有简明、直观、易懂和灵活的特点。故障树分析法可帮助判明可能发生的故障模式和原因，为故障“归零”提供支持。

表4 开关申源功能FMEA分析表

我们研究的开关电源系统故障树的顶事件为输出电压不正常，依次逐级分析建立的故障树如图2所示（图2中所有逻辑门均为或门）。

图2 开关电源的故障树分析

3.3 系统的可靠性指标

3.3.1 系统的简化可靠性模型

根据图1，开关电源的简单可靠性模型可简化为串联模型，如图3所示。

图3 开关电源的简化可靠性模型

式中：λ1为主电路单元（输入电路、变换电路、输出电路）的工作失效率；A1为主电路单元在整个电路可靠性分析中的工作失效率的权重；λ2为控制电路单元的工作失效率；A2为控制电路单元在整个电路可靠性分析中的工作失效率的权重。

根据式（1）可知，首先通过计算可得电路中各个组成单元的工作失效率，在此基础上根据各个组成单元对整个电路可靠性影响的大小对权重赋值，代入上式可得总电路的工作失效率。

由于工作过程中，控制电路与主电路相比较，其电路中流过的均为检测、反馈、比较和控制等小信号，电压低、电流小，所以在分析该单元工作失效率时，各元器件的电应力变化范围较小，对工作失效率影响甚小可略，式（1）中A2取值可近似为0。因此在分析电路的总工作失效率时，应主要分析主电路的工作失效率。

3.3.2 快速预计法检验可靠性指标

开关电源的可靠性指标，一般用MTBF（平均故障间隔时间）来表示，可由MTBF=1/λ计算得到。通常要求MTBF达到105h以上。

在系统设计初期阶段，由于无法了解到各个单元及其元器件的详细数据信息，而不能采取元件计数法和元件应力分析法。开关电源主电路主要由开关管、续流二极管、电感线圈和电容等组成，采取简单枚举不完全归纳可靠性快速预计方法，通过计算来验证可靠性指标的可行性，为可靠性分配做准备[4]。

式中：λs表示单板失效率；λ0表示单板中元器件的平均基本失效率，若其中大部分为国产元器件则取λ0=10－6/h，若大部分为进口元器件则取λ0=10－7/h；N表示单板的复杂因子，根据单板的元器件个数来确定；K1表示降额设计效果因子，一般K1=10－2～10－1，参照经验一般取 K1=10－1；K2表示环境应力筛选效果因子，一般K2=0.1～0.5，参照经验这里可取K2=0.5；K3表示环境影响效果因子，应用环境不同取值也不同；K4表示机械结构影响因子，若约定不含机械，则其不计算在内，故可取K4=1；K5表示制造工艺影响因子，一般K5=1.5～3.5，根据经验可取K5=2。由此根据公式，计算出失效率λ，则MTBF=1/λ。将计算结果和可靠性指标对比，若计算的MTBF值大于可靠性指标的105h，则方案满足设计要求。

4 开关电源的可靠性设计

随着开关电源的应用领域越来越广，对它的设计要求也逐步提高。由于比功率的增大和频率的提高所产生的电磁干扰对电源本身及其周围电子设备的正常工作都造成威胁。为了确保开关电源及系统可靠地工作，必须进行可靠性设计。

开关电源的设计是一个系统工程，不但需要考虑电源本身的参数设计，还要考虑电气设计、元器件选取、电应力设计、保护电路设计、热设计、电磁兼容性设计、安全性设计、三防设计和抗振设计等因素的影响[5]。尤其是在可靠性分析的基础上，针对预测的故障模式和薄弱环节，加强可靠性设计，以不断提高电源产品的安全性和可靠性。