余建宏

（艾默生網(wǎng)絡(luò)能源（西安）有限公司，西安 710075）

從PCB布局分析UPS小機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

余建宏

（艾默生網(wǎng)絡(luò)能源（西安）有限公司，西安 710075）

UPS小機(jī)的銷(xiāo)售渠道和市場(chǎng)需求決定了其有更多泛工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，這類(lèi)應(yīng)用環(huán)境中的污染物（灰塵和潮濕等）容易形成吸濕性導(dǎo)電塵，對(duì)UPS的環(huán)境適應(yīng)性帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。通過(guò)對(duì)比分析了三款10 KVA UPS在PCB布局上的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)出UPS環(huán)境適應(yīng)性是能夠通過(guò)PCB布局來(lái)改善和提高，為UPS小機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供參考。

UPS；吸濕性導(dǎo)電塵；PCB布局；環(huán)境適應(yīng)性

背景

UPS是不間斷電源（Uninterruptable Power Supply）的簡(jiǎn)稱(chēng)，UPS產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的各行業(yè)，為精密設(shè)備和儀器提供高可靠、綠色、節(jié)能和環(huán)保的電力保障。它通過(guò)不間斷地向所連接負(fù)載提供高質(zhì)量的電力供應(yīng)，即使在停電時(shí)，也可依靠UPS所附帶的電池組經(jīng)逆變提供交流電繼續(xù)工作。

伴隨新興網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的快速發(fā)展，對(duì)UPS的應(yīng)用程度也伴隨信息化步伐的加快而提高。除了傳統(tǒng)的IT機(jī)房在使用UPS，例如基站通信、金融、政府、教育、醫(yī)療、企業(yè)客戶(hù)端、超市和商場(chǎng)等眾多領(lǐng)域也有很大的UPS小機(jī)市場(chǎng)份額，同時(shí)UPS小機(jī)的需求也發(fā)展到了制造業(yè)、石油石化、礦山隧道、軌道交通、航運(yùn)、電廠(chǎng)等泛工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境。

這里UPS小機(jī)專(zhuān)指功率在20 KVA以下的UPS，從2015年UPS市場(chǎng)銷(xiāo)售統(tǒng)計(jì)來(lái)看，20 KVA以下UPS有銷(xiāo)售占比48.4 %的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。這類(lèi)產(chǎn)品體積小、功率能夠滿(mǎn)足日常使用、且便于搬運(yùn)和安裝，具有泛工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境銷(xiāo)售的明顯優(yōu)勢(shì)。加上在UPS產(chǎn)品銷(xiāo)售渠道構(gòu)成中，分銷(xiāo)商/代理商的銷(xiāo)售比例始終呈逐年上升趨勢(shì)，這成為UPS小機(jī)能夠銷(xiāo)往泛工業(yè)領(lǐng)域的很大一個(gè)原因，從而也導(dǎo)致UPS小機(jī)的使用環(huán)境不可控。

1 UPS小機(jī)典型環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題

環(huán)境適應(yīng)性是在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的貯存、運(yùn)輸和使用等狀態(tài)預(yù)期會(huì)遇到的各種極端應(yīng)力的作用下實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能的能力，即不產(chǎn)生不可逆損壞和能正常工作的能力。環(huán)境適應(yīng)性是產(chǎn)品重要的質(zhì)量特性之一。UPS小機(jī)有較大的市場(chǎng)應(yīng)用需求，可謂是大好事。但是伴隨著UPS小機(jī)使用領(lǐng)域的多樣化，即在眾多泛工業(yè)環(huán)境下使用，與傳統(tǒng)的IT機(jī)房環(huán)境差異較大，這類(lèi)應(yīng)用環(huán)境更復(fù)雜和惡劣，常常是環(huán)境溫度變化大、濕度大、灰塵大、還會(huì)有腐蝕性氣體（如隧道內(nèi)汽車(chē)尾氣）等，這也導(dǎo)致了UPS小機(jī)的市場(chǎng)失效問(wèn)題較多，主要表現(xiàn)在泛工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性差，更別談產(chǎn)品的可靠性。

UPS小機(jī)基本都是強(qiáng)迫風(fēng)冷型產(chǎn)品，通過(guò)軸流風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷卻UPS內(nèi)部發(fā)熱器件和散熱器，當(dāng)在泛工業(yè)環(huán)境應(yīng)用時(shí)空氣中的灰塵、潮氣等污染物也會(huì)通過(guò)風(fēng)流進(jìn)入內(nèi)部附著并逐漸沉積，從而引起漏電流短路炸機(jī)、吸濕性導(dǎo)電塵腐蝕等一系列市場(chǎng)失效問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，干燥或者低濕度（<70 %RH）條件下灰塵阻抗非常大，對(duì)產(chǎn)品幾乎無(wú)影響或者需要較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)產(chǎn)生影響；但是當(dāng)濕度增大（>70 %RH）后灰塵吸附潮氣明顯，此時(shí)吸濕的灰塵阻抗降低非常明顯，見(jiàn)圖1。漏電流增大會(huì)導(dǎo)致高電壓差部位出現(xiàn)短路失效，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)發(fā)生腐蝕失效，這就是所謂的吸濕性導(dǎo)電塵效應(yīng)。

圖2是某公司某型號(hào)UPS在一年內(nèi)的故障類(lèi)型分布情況，從故障定位來(lái)看，吸濕性導(dǎo)電塵引起的失效問(wèn)題約占37 %，成了導(dǎo)致UPS小機(jī)失效的主要元兇。

2 業(yè)界UPS小機(jī)PCB布局對(duì)比分析

UPS小機(jī)在泛工業(yè)環(huán)境下頻繁失效，一方面是UPS設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有預(yù)測(cè)新興領(lǐng)域下的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，二是沒(méi)有在UPS的PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)考慮到環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，器件及PCB工藝也隨著發(fā)生了很大的變化，尤其是SMT技術(shù)的快速發(fā)展，很多UPS小機(jī)使用了大量的貼片器件。但是相關(guān)研究表明貼片器件很容易受到污染環(huán)境的影響，例如硫化、腐蝕和容易產(chǎn)生漏電流效應(yīng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的失效問(wèn)題進(jìn)行了研究和分析，主要原因是PCB上的器件容易受到污染環(huán)境的影響，或者是說(shuō)風(fēng)道中的敏感器件受到了吸濕性導(dǎo)電塵的影響。怎么能夠在這樣的應(yīng)用環(huán)境下規(guī)避產(chǎn)品失效和提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性呢？下面就看看從市面上購(gòu)買(mǎi)的三家廠(chǎng)商10KVA UPS小機(jī)在PCB布局方面的可借鑒之處，期望可以舉一反三，在UPS設(shè)計(jì)前期就關(guān)注環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，從而保證產(chǎn)品運(yùn)行期間的可靠性。

2.1 A公司UPS產(chǎn)品

A公司的UPS采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱， UPS內(nèi)部隔離成兩個(gè)相對(duì)“獨(dú)立”的風(fēng)道，PFC和逆變散熱器加上絕緣紙組成風(fēng)道，風(fēng)量集中且只走發(fā)熱部件，見(jiàn)圖3。

進(jìn)風(fēng)口風(fēng)道中無(wú)小的插件器件，進(jìn)風(fēng)口無(wú)過(guò)孔及細(xì)小銅皮走線(xiàn)，見(jiàn)圖4。而逆變側(cè)的進(jìn)風(fēng)口處有導(dǎo)風(fēng)紙?jiān)O(shè)計(jì)，跨過(guò)了進(jìn)風(fēng)口有小插件的區(qū)域直接到達(dá)散熱器上，一是可以將風(fēng)量更集中的導(dǎo)到散熱器上，有利于散熱；二是可以避免隨風(fēng)扇進(jìn)入的污染物沉積在進(jìn)風(fēng)口器件處。

圖1 灰塵在不同濕度條件下阻抗的變化

圖2 某UPS小機(jī)年度故障類(lèi)型分布

該UPS單板布局很規(guī)整，除了DSP板和充電器板的反面有器件外，其PCB板正面全是插件器件且PCB板反面無(wú)器件。散熱器與PCB之間無(wú)縫隙設(shè)計(jì)，可以避免散熱器外側(cè)功率器件受到污染環(huán)境的影響，母線(xiàn)和電池采樣電阻均為插件電阻。這樣的PCB布局不易灰塵沉積，有污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的器件布局在非風(fēng)道上，環(huán)境適應(yīng)性會(huì)更好。

2.2 T公司UPS產(chǎn)品

T公司的UPS采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，進(jìn)風(fēng)口前端都是發(fā)熱較大的器件，包括母線(xiàn)電容、IGBT和電感等。兩個(gè)風(fēng)道都是由兩兩散熱器形成的相對(duì)“獨(dú)立”風(fēng)道，風(fēng)道中環(huán)境敏感的小器件較少，見(jiàn)圖5。

該UPS單板的前端布局很規(guī)整，實(shí)際測(cè)量進(jìn)風(fēng)口的正、負(fù)母線(xiàn)銅皮距離都在4 mm以上（見(jiàn)圖6）。兩兩散熱器形成風(fēng)道，且散熱器與PCB之間無(wú)縫隙存在，這種設(shè)計(jì)風(fēng)量只走散熱器之間，一是風(fēng)量非常集中，散熱效果很好；二是可以避免散熱器外側(cè)功率器件受污染環(huán)境的影響。所有IGBT的管腳間都有開(kāi)槽處理，在某種程度能夠提高產(chǎn)品的耐污染環(huán)境能力。PCB板正面全是插件器件，但PCB板反有不少的貼片器件（包括采樣電阻也是貼片器件）。

2.3 H公司UPS產(chǎn)品

H公司UPS也是采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，風(fēng)道紙及兩兩散熱器形成相對(duì)“獨(dú)立”風(fēng)道，這種風(fēng)道設(shè)計(jì)思路是風(fēng)量只走發(fā)熱部件（散熱器、電感和母線(xiàn)電容等），產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性較高，見(jiàn)圖7。

圖3 A公司UPS內(nèi)部整體布局

圖4 A公司UPS進(jìn)風(fēng)口布局

圖5 T公司UPS內(nèi)部整體布局

圖6 T公司UPS進(jìn)風(fēng)口布局

圖7 H公司UPS風(fēng)道內(nèi)的布局

圖8 H公司UPS進(jìn)風(fēng)口前端有絕緣紙翻邊擋風(fēng)設(shè)計(jì)

進(jìn)風(fēng)口風(fēng)道中小的插件器件較少，該UPS進(jìn)風(fēng)口前端在PCBA下方有絕緣紙翻邊擋風(fēng)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖8，主要是達(dá)到PCB板側(cè)及反面不走風(fēng)量的目的。而UPS采樣電阻采用了貼片器件，但布局在PCBA的反面，好在前端的絕緣紙翻邊處理會(huì)降低風(fēng)量中污染物的影響，對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)性會(huì)高一些。

表1 PCB布局設(shè)計(jì)總結(jié)分析

2.4 總結(jié)分析

從前面三家廠(chǎng)商UPS的PCB布局設(shè)計(jì)來(lái)看，較多PCB布局設(shè)計(jì)都體現(xiàn)了環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，比如都是相對(duì)“獨(dú)立”風(fēng)道設(shè)計(jì)思路、PCB板正面全是插件器件、風(fēng)道中小的器件很少等等，事實(shí)也證明了這些UPS在市場(chǎng)上的表現(xiàn)也優(yōu)于其他廠(chǎng)家。

若UPS小機(jī)在進(jìn)風(fēng)口布局、風(fēng)道布局、采樣電阻和功率器件布局等PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計(jì)，并能遵循表1的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，UPS小機(jī)在泛工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的環(huán)境適應(yīng)性可以得到較大的提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

各種泛工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)UPS小機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性都提出了更高的要求。UPS產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)應(yīng)該是貫穿于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)全過(guò)程，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期就要對(duì)其全壽命周期內(nèi)可遇的環(huán)境條件進(jìn)行科學(xué)、合理的分析，了解可遇的環(huán)境因素對(duì)UPS的影響程度，為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、材料及元器件選型等提供正確的依據(jù)，是做好UPS環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的前提條件。

本文僅從業(yè)界三款UPS 的PCB布局設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比總結(jié)分析，提煉出了在環(huán)境適應(yīng)性方面的參考點(diǎn)，總結(jié)出UPS環(huán)境適應(yīng)性也是能夠通過(guò)PCB布局來(lái)改善和提高的，尤其是泛工業(yè)污染環(huán)境下，UPS若能遵循PCB布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)，其在泛工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的適應(yīng)會(huì)得到較大改善。

[1]徐永福.不間斷電源（UPS）分類(lèi)與使用[J].電世界, 2003(3):1-3.

[2]朱慧麗,尹洪舉.軍用電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法[J].航空電子技術(shù), 2015(6):42-46+52.

[3]2014年UPS市場(chǎng)簡(jiǎn)析[J].電源世界, 2014(12):3-5.

Analysis on the Environmental Adaptability Design of UPS Based on the PCB Layout

YU Jian-hong
(Emerson Network Power（Xi’an）Co., Ltd., Xi’an 710075)

UPS small machine sales channels and market requirements determine it have more application in many other industry fields.This kind of pollutants in the application environment (dust and moisture) is easy to form the environmental adaptability of hygroscopic conductive dust on the UPS challenge.Through the comparative analysis of the advantages of three 10KVA UPS in the PCB layout, this paper sums up that the UPS environmental adaptability is able to improve through the PCB layout, and to provide reference for the environmental adaptability design of UPS small machine.

UPS; hygroscopic conductive dust; PCB layout; environmental adaptability

TM46

A

1004-7204（2016）05-0054-04

余建宏（1984-），男，工程師，在艾默生網(wǎng)絡(luò)能源從事7年電力電子產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性與可靠性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究工作。