小谈电源的研发可靠性设计

Posted 2021-04-19 ZLG致远电子

生活当中我们经常会遇到电源坏掉的问题，比如手机适配器、PC电源以及一些小家电的电源。当我们遇到这些问题时总是感叹电源的不可靠，那么我们怎样才能设计出稳定可靠电源呢？下面就让我们一起来总结一下那些影响电源可靠性的因素。

1、电压应力

电源电压应力是保证电源可靠性的一个重要指标。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。但在测试时我们必须测试电源所有工作状态的电压应力，以确保在最恶劣的工作状态下也能留出约10%的安全裕量。

2、电流应力

电源电流应力往往与热应力密切相关，比如二极管SK54最大平均电流为5A，但是它是在满足热应力降额前提下的极限参数。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。

3、反馈环路

反馈环路是电源的重要组成部分，我们设计电源时必须要保证反馈环路的稳定。所以我们设计环路参数时需要保持一定裕度；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，穿越频率一般设置在开关频率的1/6。再实际测试加以验证环路的稳定性。

4、磁性元件的磁饱和

我们在设计反激变压器以及一些储能电感时，设定最大磁通量Bm尤为关键。由于电源起机和短路保护时最大磁通量Bm大于稳态工作时的Bm，所以我设定变压器的Bm时需要预留足够的裕度。如图 1所示，磁芯温度为100℃曲线可知Bm=0.35T时磁芯接近饱和，所以出于对电源起机、输出过流和短路等极限情况考虑，铁氧体P4材质的变压器的稳态Bm一般小于0.25T。

5、PWM的死区时间

对于半桥、全桥和LLC谐振等一些H桥或半H桥的拓扑电源，PWM的死区时间设定对电源可靠性至关重要。实际上设定死区时间实则为了避免上、下管直通从而导致电源炸机，也就是说设定一段上、下管同时关断的时间，在上管关断后延迟一段时间再导通下管或在下管关断后延迟一段时间再导通上管，如图 2所示td即为死区时间。

6、电源的软启动

电源的软启动对降低场效应管和输出二极管的尖峰电压和尖峰电流有很大帮助，从而降低了其电压应力和电流应力。但是对于LLC谐振电源来说，软启动对电源起机的可靠性非常关键；因为LLC电源的IC是通过高频扫描的方式启动的。如图 3所示在IC启动时驱动PWM频率会从设定的最高频率开始慢慢恢复正常频率，恢复时间也就是软启动时间。在此期间电源工作在不稳定状态，软启动时间越长，启动越安全；但软启动时间过长也会对电源带容性负载能力和起机时间造成影响。

7、保护电路

要确保电源可靠性除了做好以上六点以外，相应的保护电路也是不可或缺。保护电路具体有输入欠压保护、输入过压保护、输出过流保护、输出短路保护和输出过压保护等等。为避免输入电压过低时电源出现非正常工作的现象，电源需添加输入欠压保护；为避免输入电压过高，从而期间电压应力超标，电源需添加输入过压保护；为避免输出过流和短路从而导致器件过热、磁饱和等现象，电源需添加过流保护和短路保护；为避免电源出现输出电压过高导致电源负载端损坏，电源需添加输出过压保护。

总结：影响电源可靠性因素有很多，本文只谈到了其中一部分，比如还有EMC、安规和过热保护等都是影响电源可靠的关键的因素。我们设计电源可能不会太难，但要想设计出稳定可靠的电源绝不会太容易，设计时我们只有考虑所有可靠性因素并实际加以验证，我们电源才算是稳定可靠的电源。

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