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找准电源可靠性设计“症结”方能对症“下药”

中国现在的电源厂家很多,但是还没有世界级品牌,为什么?众多国内电源厂家的产品功能很好,价格很低,但是还是没有竞争力,为什么?究其主要原因,国内电子产品和国外领先企业产品的差距已经不是功能性能的差距,而是质量和可靠性上的差距。

质量和可靠性差的主要原因是:设计水平低,缺乏硬件可靠应用经验。根据对电子产品失效分析数据的统计分析,电源的失效率占据了非常高的比例,往往是名列前茅的,这一方面说明了电源的可靠性比较低,另外一个方面也说明了只要提高了电源的可靠性,就可以大幅提高整个产品的可靠性。

万事都要从源头追溯,我们先来看看影响电源可靠性设计的主要因素。其主要因素有很多,例如高噪声电源环境中的布板、变压器的设计、元件的选择、电磁兼容以及电磁干扰设计、过热保护等等都是影响电源可靠性的关键因素。既然找到了症结所在,那么就要开始对症下药。该如何“下药”呢?日前在顺德举办的家电电源与变频控制技术创新研讨会上,PI高级现场应用工程师谢厚林就针对这一问题,进行了详细的的讲解。

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【PI高级现场应用工程师谢厚林在演讲】

谢厚林工程师主要从高噪声电源环境中的布板设计、变压器的设计以及元件的选择三方面着重进行了分析:

01 高噪声电源环境中的布板设计

电源噪声是指由电源自身产生或受扰感应的噪声,其中有电源本身所固有的阻抗所导致的分布噪声,共模场干扰,差模场干扰,线间干扰等。通过对高频PCB板上出现的电源噪声特性和产生原因进行系统分析,并结合工程应用,提出了一些非常有效而又简便的解决办法,其中之一就是对高噪声电源环境中的布板设计要有所要求。布板对于设计高性能的电源至关重要,不良的布板会增加设计成本。优良的布板可以减少设计调试时间,意味着更快的占领市场。

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02 变压器的设计

关于变压器的设计,本文主要从两点来阐述,一点是避免变压器饱和即高磁通密度,一点是确保绕组之间实现良好的耦合。在稳态工作时,将磁通密度限制在3800高斯以下,在典型设计中应提供一定的裕量,并且应考虑温度因素的影响。同时要检查最差条件下的电流波形。最差的条件包括这些情况:满载、最低输入电压、最大工作温度以及各种输入电压等等。如何确保绕组之间实现良好的耦合?第一要尽量降低漏感,这样可以降低电磁干扰(EMI)和提高效率;第二变压器设计中如果能够实现较低的初级分布电容,可以降低开关损耗,提升效率,改善电源温升。

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03 元件的选择

因为元器件直接决定了电源的可靠性,所以元器件的选用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四点:制造质量问题、器件可靠性的问题、设计问题、损耗问题。在使用中应对此予以足够重视。

电源中各种器件承受的电压应力是影响电源可靠性的一个重要因素。在电源中有许多器件都有规定最大耐压值,比如:场效应管的Vds和Vgs、二极管的反向耐压、IC的最大VCC电压以及输入输出电容的最大耐压。所以我们设计时必须要考虑到器件要承受的最大电压。再根据电压选择适当器件,最后再进行实际测试加以验证。电源中各器件的电流应力往往与热应力密切相关。所以我们选择器件时必须要同时满足器件的电流应力与热应力;在满足器件热应力的前提下,选择合适额定电流值的器件方可保证电源可靠性要求。

设计电源本身并不难,但是想要设计出稳定可靠性高的电源绝对不会太容易,设计时我们只有充分考虑所有对其有影响的因素,并加以不断调试验证,我们才能设计出质量更高、稳定性更强的电源。

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