找准电源可靠性设计“症结”方能对症“下药”

Posted 2021-04-19 PI电源芯片

现如今，在消费升级和智能化浪潮的推动下，各种各样的电子产品开始往智能化升级。在这种智能化的升级预示着对产品本身提出了更高的质量要求，而电子产品的质量不可或缺的因素——可靠性将在其中扮演极其重要的角色。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。

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。

【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。

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。

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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