呂方超，李玉忍，蘭根龍

（西北工業(yè)大學自動化學院，陜西西安 710129）

電源作為一個電子系統(tǒng)中重要的部件，其可靠性決定了整個系統(tǒng)的可靠性。開關電源由于具有體積小、質量輕、效率高、輸出穩(wěn)定靈活等優(yōu)點，在各個領域得到廣泛應用。如何提高它的可靠性是電源技術的一個重要研究方面。

開關電源的可靠性也直接影響到系統(tǒng)制造商的最低成本，是整個系統(tǒng)設備能否正常工作的關鍵。在任何方面，哪怕是最微小的疏忽，都可能導致整個電源的崩潰，所以電源產品的可靠性分析和可靠性設計是非常重要的。

1 開關電源的組成及工作原理

開關電源是一種高頻開關式的能量變換電子電路。開關電源是開關穩(wěn)壓電源的簡稱，用脈寬調制（PWM）驅動功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比來調整輸出電壓[1]。開關電源主要由輸入電路、變換電路、控制電路、輸出電路等四個主體組成，具體如圖1所示。

輸入電路可將交流市電轉化為符合要求的開關電源直流輸入電源；變換電路是開關電源中電源變換的主通道，完成對帶有功率的電源波形進行斬波調制和輸出，這一級的開關功率管是其核心器件；控制電路向驅動電路提供調制后的矩形脈沖，達到調節(jié)輸出電壓的目的；輸出電路把輸出電壓整流成脈動直流，并平滑成低紋波直流電壓。

2 影響開關電源可靠性的因素

圖1 開關電源功能原理方框圖

環(huán)境溫度和負載率對開關電源可靠性的影響很大，尤其對元器件的失效率有顯著影響，而元器件又直接決定了電源的可靠性。以下PD為使用功率、PR為額定功率、UD為使用電壓、UR為額定電壓。

2.1 環(huán)境溫度對元器件的影響

環(huán)境溫度對半導體、電容、電阻等元器件的可靠性均有很大影響。如表1所示，當溫度從20℃增加到80℃時，硅三極管（在PD/PR=0.5負荷設計條件下）失效率增加了30倍；電容（在UD/UR=0.65負荷設計條件下）失效率增加了14倍；電阻器（在PD/PR=0.5負荷設計條件下）失效率增加了4倍。

表1 環(huán)境溫度對各元器件可靠性的影響

2.2 負載率對元器件的影響

負載率對元器件失效率的影響同樣很明顯。以電阻器為例，在環(huán)境溫度為50℃條件下，其PD/PR對電阻器失效率的影響如表2所示。當PD/PR=0.8時，失效率比PD/PR=0.2時增加了8倍。

表2 負載率對電阻器可靠性的影晌

同樣，在環(huán)境溫度為50℃條件下，當PD/PR=0.8時，半導體器件失效率比PD/PR=0.2時增加1 000倍。因此，在開關電源的設計和使用時，應盡量避免其負載率過大而導致電源故障。

3 開關電源的可靠性分析

利用開關電源的組成原理，對開關電源系統(tǒng)進行故障模式影響分析（FMEA），定性分析系統(tǒng)潛在的各種故障模式、原因和影響因素，并建立系統(tǒng)的故障樹（FTA）。為簡化計算，利用可靠性框圖，快速預計法檢驗可靠性指標。

3.1 FMEA定性分析

3.1.1 系統(tǒng)正常工作狀態(tài)及失效故障判定

該開關電源正常工作時，能夠穩(wěn)定輸出符合要求的電壓，各項指標均正常。如果其輸出電壓不穩(wěn)定，或輸出值不符合要求（或沒有輸出）則被視為功能失效故障。

3.1.2 FMEA分析中的有關約定

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FMEA是在產品設計中的一個重要環(huán)節(jié)，通過對產品各組成單元潛在的各種故障模式及其對產品功能的影響進行分析，提出可能采取的預防改進措施，以提高產品可靠性[2]。表3是針對該系統(tǒng)進行的嚴酷度等級的約定。

表3 嚴酷度等級

3.1.3 FMEA分析

采用功能法對開關電源進行FMEA，分析的對象是開關電源中的各個功能電路（圖1中所示的各個功能方框單元）的故障模式[3]，分析結果如表4所示。

3.1.4 FMEA結論

嚴酷度為II、III類的故障模式較多，考慮增加對開關電源的冗余設計，選用高質量元器件，加強元器件二次篩選，提高電路的穩(wěn)定性。另外，如果對應用了開關電源的系統(tǒng)任務可靠度要求高，可增加一塊電源模塊作為系統(tǒng)的備份設計。

3.2 FTA定性分析

故障樹分析法（FTA）是一種圖形演繹式故障分析方法，它對造成系統(tǒng)失效的各種因素進行自上而下的深入分析，最終找到對應的各種故障原因，即底事件，并用樹狀圖表達出故障和各原因之間的因果關系，具有簡明、直觀、易懂和靈活的特點。故障樹分析法可幫助判明可能發(fā)生的故障模式和原因，為故障“歸零”提供支持。

表4 開關申源功能FMEA分析表

我們研究的開關電源系統(tǒng)故障樹的頂事件為輸出電壓不正常，依次逐級分析建立的故障樹如圖2所示（圖2中所有邏輯門均為或門）。

圖2 開關電源的故障樹分析

3.3 系統(tǒng)的可靠性指標

3.3.1 系統(tǒng)的簡化可靠性模型

根據(jù)圖1，開關電源的簡單可靠性模型可簡化為串聯(lián)模型，如圖3所示。

圖3 開關電源的簡化可靠性模型

式中：λ1為主電路單元（輸入電路、變換電路、輸出電路）的工作失效率；A1為主電路單元在整個電路可靠性分析中的工作失效率的權重；λ2為控制電路單元的工作失效率；A2為控制電路單元在整個電路可靠性分析中的工作失效率的權重。

根據(jù)式（1）可知，首先通過計算可得電路中各個組成單元的工作失效率，在此基礎上根據(jù)各個組成單元對整個電路可靠性影響的大小對權重賦值，代入上式可得總電路的工作失效率。

由于工作過程中，控制電路與主電路相比較，其電路中流過的均為檢測、反饋、比較和控制等小信號，電壓低、電流小，所以在分析該單元工作失效率時，各元器件的電應力變化范圍較小，對工作失效率影響甚小可略，式（1）中A2取值可近似為0。因此在分析電路的總工作失效率時，應主要分析主電路的工作失效率。

3.3.2 快速預計法檢驗可靠性指標

開關電源的可靠性指標，一般用MTBF（平均故障間隔時間）來表示，可由MTBF=1/λ計算得到。通常要求MTBF達到105h以上。

在系統(tǒng)設計初期階段，由于無法了解到各個單元及其元器件的詳細數(shù)據(jù)信息，而不能采取元件計數(shù)法和元件應力分析法。開關電源主電路主要由開關管、續(xù)流二極管、電感線圈和電容等組成，采取簡單枚舉不完全歸納可靠性快速預計方法，通過計算來驗證可靠性指標的可行性，為可靠性分配做準備[4]。

式中：λs表示單板失效率；λ0表示單板中元器件的平均基本失效率，若其中大部分為國產元器件則取λ0=10－6/h，若大部分為進口元器件則取λ0=10－7/h；N表示單板的復雜因子，根據(jù)單板的元器件個數(shù)來確定；K1表示降額設計效果因子，一般K1=10－2～10－1，參照經(jīng)驗一般取 K1=10－1；K2表示環(huán)境應力篩選效果因子，一般K2=0.1～0.5，參照經(jīng)驗這里可取K2=0.5；K3表示環(huán)境影響效果因子，應用環(huán)境不同取值也不同；K4表示機械結構影響因子，若約定不含機械，則其不計算在內，故可取K4=1；K5表示制造工藝影響因子，一般K5=1.5～3.5，根據(jù)經(jīng)驗可取K5=2。由此根據(jù)公式，計算出失效率λ，則MTBF=1/λ。將計算結果和可靠性指標對比，若計算的MTBF值大于可靠性指標的105h，則方案滿足設計要求。

4 開關電源的可靠性設計

隨著開關電源的應用領域越來越廣，對它的設計要求也逐步提高。由于比功率的增大和頻率的提高所產生的電磁干擾對電源本身及其周圍電子設備的正常工作都造成威脅。為了確保開關電源及系統(tǒng)可靠地工作，必須進行可靠性設計。

開關電源的設計是一個系統(tǒng)工程，不但需要考慮電源本身的參數(shù)設計，還要考慮電氣設計、元器件選取、電應力設計、保護電路設計、熱設計、電磁兼容性設計、安全性設計、三防設計和抗振設計等因素的影響[5]。尤其是在可靠性分析的基礎上，針對預測的故障模式和薄弱環(huán)節(jié)，加強可靠性設計，以不斷提高電源產品的安全性和可靠性。

5 結束語

在開關電源設計時進行FMEA，并對主要故障原因進行FTA，可找出設計中的缺陷和可靠性薄弱環(huán)節(jié)，特別是能引起高嚴酷度的故障模式，為電路設計改進提供依據(jù)，也能為電源模塊的維修性、測試性及維修工作分析提供依據(jù)，并提高了電源模塊的可靠性。

同時，開關電源的可靠性高低，不僅與電氣設計有關，還與元器件、結構、裝配、工藝、加工質量等方面有關。在實際工程應用上，還應通過各種實驗取得反饋數(shù)據(jù)來完善設計，進一步提高開關電源可靠性。

[1]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：1-14.

[2]羅勇.FMEA技術在電源模塊設計中的應用[J].質量與可靠性，2009(5)：37-40.

[3]金偉婭，張康達.可靠性工程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005：177-189.

[4]占偉.Buck DC-DC開關變換器的可靠性分析與應用[D].西安：西安科技大學，2008：46-48.

[5]聶世剛.加固計算機用開關電源的可靠性設計[J].可靠性設計與工藝控制，2006(2)：21-25.