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如何保證電源的長期可靠性?

來源: 發布時間:2018-06-13 11:29:22 次瀏覽
目前市面上的電源模塊品類繁多,初期應用都能滿足要求,但隨著時間的考驗就開始經不起考驗了。電源作為系統核心,絕對不允許這樣的情況發生,那么我們怎樣才能設計出穩定可靠電源呢?
 
1、電壓應力
 
電源電壓應力是保證電源可靠性的一個重要指標。在電源中有許多器件都有規定最大耐壓值,比如:場效應管的Vds和Vgs、二極管的反向耐壓、IC的最大VCC電壓以及輸入輸出電容的最大耐壓。所以我們設計時必須要考慮到器件要承受的最大電壓。再根據電壓選擇適當器件,最后再進行實際測試加以驗證。但在測試時我們必須測試電源所有工作狀態的電壓應力,以確保在最惡劣的工作狀態下也能留出約10%的安全裕量。
2、電流應力
電源電流應力往往與熱應力密切相關,比如二極管SK54最大平均電流為5A,但是它是在滿足熱應力降額前提下的極限參數。所以我們選擇器件時必須要同時滿足器件的電流應力與熱應力;在滿足器件熱應力的前提下,選擇合適額定電流值的器件方可保證電源可靠性要求。ZXD輸入電流會做到最大的預留量,以應對各類工業現場所出現的情況,如下所示。
 
圖2  ZXD電源產品輸入特性表
 
3、反饋環路
 
反饋環路是電源的重要組成部分,我們設計電源時必須要保證反饋環路的穩定,如下圖3所示。所以我們設計環路參數時需要保持一定裕度;比如增益裕度一般保持在20db左右,相位裕度保持在45度左右,穿越頻率一般設置在開關頻率的1/6,再實際測試加以驗證環路的穩定性。
 
圖3  電源反饋環路
 
4、磁性元件的磁飽和
 
我們在設計反激變壓器以及一些儲能電感時,設定最大磁通量Bm尤為關鍵。由于電源起機和短路保護時最大磁通量Bm大于穩態工作時的Bm,所以我設定變壓器的Bm時需要預留足夠的裕度。如圖4所示,磁芯溫度為100℃曲線可知Bm=0.35T時磁芯接近飽和,所以出于對電源起機、輸出過流和短路等極限情況考慮,鐵氧體P4材質的變壓器的穩態Bm一般小于0.25T。
 
圖4  磁性元件的磁飽和曲線
 
5、PWM的死區時間
 
對于半橋、全橋和LLC諧振等一些H橋或半H橋的拓撲電源,PWM的死區時間設定對電源可靠性至關重要。實際上設定死區時間實則為了避免上、下管直通從而導致電源炸機,也就是說設定一段上、下管同時關斷的時間,在上管關斷后延遲一段時間再導通下管或在下管關斷后延遲一段時間再導通上管,如圖5所示td即為死區時間。
 
圖5  PWM的死區時間示意圖
 
6、電源的軟啟動
 
電源的軟啟動對降低場效應管和輸出二極管的尖峰電壓和尖峰電流有很大幫助,從而降低了其電壓應力和電流應力。但是對于LLC諧振電源來說,軟啟動對電源起機的可靠性非常關鍵;因為LLC電源的IC是通過高頻掃描的方式啟動的。如圖6所示在IC啟動時驅動PWM頻率會從設定的最高頻率開始慢慢恢復正常頻率,恢復時間也就是軟啟動時間。在此期間電源工作在不穩定狀態,軟啟動時間越長,啟動越安全;但軟啟動時間過長也會對電源帶容性負載能力和起機時間造成影響。
 
圖6  電源的軟啟動示意圖
 
7、保護電路
 
要確保電源可靠性除了做好以上六點以外,相應的保護電路也是不可或缺。保護電路具體有輸入欠壓保護、輸入過壓保護、輸出過流保護、輸出短路保護和輸出過壓保護等等。為避免輸入電壓過低時電源出現非正常工作的現象,電源需添加輸入欠壓保護;為避免輸入電壓過高,從而期間電壓應力超標,電源需添加輸入過壓保護;為避免輸出過流和短路從而導致器件過熱、磁飽和等現象,電源需添加過流保護和短路保護;為避免電源出現輸出電壓過高導致電源負載端損壞,電源需添加輸出過壓保護。
 
影響電源可靠性因素有很多,這里只談到了其中一部分,比如還有EMC、安規和過熱保護等都是影響電源可靠的關鍵的因素。我們設計電源可能不會太難,但要想設計出穩定可靠的電源絕不會太容易,設計時只有考慮所有可靠性因素并實際加以驗證,電源才算是穩定可靠的電源。
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