星载开关电源可靠性设计

星载开关电源可靠性设计

The Reliability Design of On–satellite Switching Power Supply
俞绍安 中国航天科技集团上海空间电源研究所(I-海200233)

摘要：本文从四个方面详细阐述了星载开关电源的可靠性设计，强调了可靠性设计的重要性。

叙词：电路拓扑 电磁兼容 脉宽调制 开关电源 可靠性设计
Abstract：A reliability design of on-satellite switch power-sources is particularized from four aspects．So the importance of its reliability design is emphasized．

Keywords：circuit topology EMC PWM
[中图分类号] TM92 [文献标识码] A 文章编号：1561 0349(2006)01—0051—03

1 引言
电子产品，特别是星载开关电源的设计是一个复杂的系统工程，不但要考虑电源本身的参数设计，还要考虑电气设计、电磁兼容设计、安全性设计、热设计等方面。因为任何方面，哪怕是极微小的疏忽，都有可能导致整个星载电源甚至整颗卫星的
崩溃，所以星载电源产品可靠性设计极关重要。

2 开关电源电气可靠性设计
2．1 电路拓扑的选择
开关电源一般采用Buck型、Boost型、Cuk型、双管正激型、双管反激型、单端正激型、单端反激型、推挽型、半桥型、全桥型等十种拓扑。为避免开关管承受两倍直流输入电压并考虑到降额使用，一般采用双管正激型和半桥型电路。而推挽型和全桥型拓扑虽然也承受单倍直流输入电压，但可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，故在高可靠性工程上一般选用双管正激型和半桥型电路拓扑.
2．2 控制方法的选择
电流型PWM 控制较电压控制型有如下优点：自动对称校正、固有的电流限制、简单的回路补偿、纹波比电压控制型小得多和良好的并联工作能力。硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在400kHz以下；软开关技术利用谐振原理使开关器件在零电压开通或零电流关断，实现开关损耗为零，从而可使开关频率达到兆赫级水平。但是软开关技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以PWM技术为主。
2．3 元器件的选用
元器件直接决定了电源的可靠性，元器件的失效主要集中在以下四个方面
1．产品质量
质量问题造成的失效与工作应力无关。在卫星工程应用时
选用定点生产厂家的成熟产品，不允许使用没有经过认证的产品。

2．元器件可靠性
元器件可靠性问题即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是元器件的失效率取决于工作应力水平。应先对元器件进行应力筛选试验，通过筛选可使元器
件失效率降低1～2个数量级。当然，筛选试验代价(时间与费用)很大，但综合各方面因素还是合算的，研制周期也不会延长。
电源设备主要元器件的筛选试验一般要求：
· 电阻在室温下按技术条件进行100 测试，剔除不合格品。
· 普通电容器在室温下按技术条件进行100 测试，剔除不合格品
· 接插件按技术条件抽样检测各种参数。
· 半导体器件按以下程序进行筛选：
目检一初测一高温储存一高低温冲击一电功率老化一高温测试一低温测试一常温测试筛选结束后应计算剔除率Q：
Q一(n／N)×100
式中，～ 为受试样品总数；n为被剔除的样品数。如果Q超过标准规定的上限值，则本批元器件全部不准上机，并按有关规定处理。在符合标准规定时，可将筛选合格的元器件打漆点标注，然后入专用库房供装机使用。
3．设计
(1)元器件的选用
· 尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。
· 多采用集成电路，减少分立器件的数目。
·开关管选用M0sFET能简化驱动电路，减少损耗。
· 输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管
·应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器件。
· 集成电路必须是一类品或者是符合MIL-M 38510、MILS-19500标准 1以上质量等级的军品。
· 设计时尽量少用继电器，确有必要时应选用接触良好的密封继电器。
·原则 不选用电位器，必须保留的应进行固封处理。
·吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。由于受空间粒子轰击时，电解质会分解，所以铝电解电容也不适用于航天电子设备的电源中 钽电解电容的温度和频率特性较好、耐高低温、储存时间长、性能稳定可靠，但钽电解电容较重、容积比低、不耐反压、高压(>125V)品种较少、价格昂贵。

(2)降额设计
电子元器件的基本失效率取决于工作应力(包括电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等)。不同的元器件降额标准亦不同，实践表明，大部分电子元器件的基本失效率取决于电应力和温度，因而降额也主要是控制这两种应力。开关电源常用元器件的降额系数如下：
·电阻的功率降额系数在0．1～o+5之间。
·二极管功率降额系数0．4以下，反向耐压的在0．5以下
· 发光二极管电压降额系数在0．6以下，功率降额系数在0．6以下。
· 功率开关管电压降额系数在0．6以下，电流降额系数在0．5以下。
· 普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数在0．3～0．7之间。
· 钽电容的电压降额系数存0．3以下。
· 电感和变压器的电流降额系数在0．6以下。

4．损耗
损耗引起的元器件失效取决于工作时间的长短，与1二作应力无关。Lk,~n铝电解电容长期在高频下T作会使电解液逐渐损失，同时容量亦同步下降，当电解液损失4o％ 时，容量下降2o 。为防止发生故障，应在图纸上标明铝电解电容器更换的时间，到期强迫更换。
2．4 保护电路的设置
为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作，应设置多种保护电路，如防浪涌冲击、过压、欠压、过载、短路、过热等的保护电路。

3 电磁兼容性设计
开关电源因采用PWM技术，其脉冲波形呈矩形，上升沿与下降沿均包含大量的谐波成分，输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰(EMI)，这是影响可靠性的不利因素，故电磁兼容性(EMC)成为系统的重要问题。产牛电磁干扰有_一个途径：干扰源、传输介质、接收单元。EMC设计就是破坏这三个途径中的一个。
对于』F关电源而言，主要是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路与输Hj整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等。EMI按传播途径分为传导干扰和辐射十扰。传导噪声的频率范围很宽(10kHz~30MHz)，解决办法之一是加装电源EMI滤波器、输出滤波器及吸收电路(参见图1)。电源EM1滤波器实际上是一种LC低通滤波器，它毫无衰减地把5OHz或400Hz交流电能传递给电子设备，却大大衰减传人的干扰信号，同时叉能抑制设备本身产生的干扰信号，电源EMI滤波器最好安装在机壳电源线进口的插座附近。输出整流二极管的反向恢复也会引起电磁干扰，这种情况可以采用RC吸收电路来抑制电流的上升率(参见图1)，通常R在2～201"1之间，C在lOOC’pF~10nF之间，C应选用高频瓷介电容。良好的布局和布线技术也是控制噪声的一种重要手段。为减少噪声的发生和防止由噪声导致的误动作，应注意以下几点：
·尽量缩小由高频脉冲电流所包同的面积。

…

4 安全性设计
就电源产品而言，必须进行安全性设计，对卫星电源尤其如此。电源产品安全性设计的内容主要是防止触电和烧伤。对于商用设备市场，具有代表性的安全标准有UL、CSA、Ⅵ)E、CCC等，内容因用途而异，容许泄漏电流在0．5～5mA之间，我国军用标准GJB1412规定的泄漏电流小于5mA。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器电容C 的容量。从EMI滤波器角度出发，电容 的容量越大越好，但从安全性角度考虑，电容 的容量越小越好，电容( 的容量根据安全标准来决定若电容G 的安全性能欠佳，电网瞬态尖峰出现时可能被击穿，它的击穿虽然不危及人身安全，但会使滤波器丧失滤波功能。为了防止误触电，插头座原则 产品端(非电源端)为针，电
网端(电源端)为孔；电源设备之输入端为针，输出端为孔。
为了防止烧伤，对于可能与人体接触的暴露部件(散热器、机壳等)，当环境温度为25℃ 时，其最高温度不应超过6O℃，面板和手动调节部分的最高温度不超过50~C

5 热设计
除了电应力之外，温度是影响设备可靠性最重要的因素。
电源设备内部的温升将导致元器件的失效 当温度超过一定值时，失效率将呈指数规律增加，温度超过极限值时将导致元器件失效。国外统计资料表明，电子元器件温度每升高2℃ ，可靠性下降1O ；温升50~C时的寿命只有温升25℃ 时的1／6 这就需要进行热设计，热设计的原则，一是减少发热量，即选用更优的控制方式和技术，如同步整流技术、移相控制技术等，另外就是选用低功耗的器件，减少发热器件的数目，加大加粗印制线的宽度，提高电源的效率。二是加强散热，即利用传导 对流、辐射原理将热量转移。包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法。
强迫风冷的散热量虽比自然冷却大lO倍以上，但是由于风机产生了噪声和振动，故在一般情况下应尽量采用自然冷却，星载电源不采用风冷、液冷之类的冷却方式。在元器件布局时，应将发热器件安放在下风位置或在印制板的上部，散热器采用氧化发黑工艺处理，以提高辐射率，不允许用黑漆涂覆。散热器安装器件的平面要求光滑平整，一般在接触面涂上硅脂以提高导热率。变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升。

6 结语
以上建议只适用于星载电源，对于商用和工业用产品可以在某些方面作出不同的选择。总之，电源设备可靠性的高低，不仅与电气设计，而且同元器件、结构、工艺、装配、加工质量等方面有关。可靠性是以设计为基础的，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电源的可靠性。

参考文献

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