开关电源的可靠性设计

1　引言

开关电源是各种系统的核心部分。开关电源的需求越来越大，同时对可靠性提出了越来越高的要求。涉及系统可靠性的因素很多。目前，人们认识上的主要误区是把可靠性完全（或基本上）归结于元器件的可靠性和制造装配的工艺,忽略了系统设计和环境温度对可靠性的决定性的作用。据美国海军电子实验室的统计，整机出现故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。

在民用电子产品领域，日本的统计资料表明，可靠性问题80％源于设计方面（日本把元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率等部分也归入设计上的原因）。以上两方面的数据表明，设计及元器件（元器件的选型，质量级别的确定，元器件的负荷率）的原因造成的故障，在开关电源故障原因中占80％左右。减少这两方面造成的开关电源故障，具有重要的意义。总之，对系统的设计者而言，需要明确建立“可靠性”这个重要概念，把系统的可靠性作为重要的技术指标，认真对待开关电源可靠性的设计工作，并采取足够的措施提高开关电源的可靠性，才能使系统和产品达到稳定、可靠的目标。本文就从这两个方面来研究与阐述。

2 系统可靠性的定义及指标

国际上，通用的可靠性定义为：在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。此定义适用于一个系统，也适用于一台设备或一个单元。描述这种随机事件的概率可用来作为表征开关电源可靠性的特征量和特征函数。从而，引出可靠度[R（t）]的定义：系统在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。

如系统在开始 （t=0）时有n0个元件在工作，而在时间为t时仍有n个元件在正常工作，

　　则

　　可靠性　　 R(t)=n/n0　　0≤R(t) ≤1

　　失效率　　 λ(t)= - dinR(t)/dt

λ定义为该种产品在单位时间内的故障数，即λ=dn/dt。

如失效率λ为常数，则 

       dn/dt=-λt

　　n=n0e-λt

　　R(t)=e-λt0　　　　　

　　MTBF（平均无故障时间）=1/λ

平均无故障时间（MTBF）是开关电源的一个重要指标，用来衡量开关电源的可靠性。

3　影响开关电源可靠性的因素
　　
从各研究机构研究成果可以看出，环境温度和负荷率对可靠性影响很大，这两个方面对开关电源的影响很大，下面将从这两方面分析，如何设计出高可靠的开关电源。其中：PD为使用功率；PR为额定功率。UD为使用电压；UR为额定电压。

3.1 环境温度对元器件的影响

3.1.1 环境温度对半导体IC的影响

硅三极管以PD/PR=0.5使用负荷设计，则环温度对可靠性的影响，如表2所示。

由表2可知，当环境温度Ta从20℃增加到80℃时，失效率增加了30倍。

3.1.2 环境温度对电容器的影响
　 
以UD/UR=0.65使用负荷设计 则环境温度对可靠性的影响如表3所示。

从表3可知，当环境温度Ta从20℃增加到80℃时，失效率增加了14倍。

3.1.3 环境温度对电阻器的影响

以PD/PR=0.5使用负荷设计，则环境温度对可靠性的影响如表4所示。

从表4可知，当环境温度Ta从20℃增加到80℃时，失效率增加了4倍。

3.2 负荷率对元器件的影响

3.2.1 负荷率对半导体IC的影响　　　 
当环境温度为50℃时，PD/PR对失效率的影响如表5所示。

由表5可知，当PD/PR=0.8时，失效率比0.2时增加了1000倍。

3.2.2 负荷率对电阻的影响

负荷率对电阻的影响如表6所示。

从表6可以看出，当PD/PR=0.8时，失效率比PD/PR=0.2时增加了8倍。

4　可靠性设计的原则

我们可以从上面的分析中得出开关电源的可靠性设计原则。

4.1可靠性设计指标应包含定量的可靠性要求。

　　4.2可靠性设计与器件的功能设计相结合，在满足器件性能指标的基础上，尽量提高器件的可靠性水平。

　　4.3应针对器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相应制约因素进行综合平衡设计。

　　4.4在可靠性设计中尽可能采用国、内外成熟的新技术、新结构、新工艺和新原理。

　　4.5对于关键性元器件，采用并联方式，保证此单元有足够的冗余度。

　　4.6 原则上要尽一切可能减少元器件使用数目。

　　4.7在同等体积下尽量采用高额度的元器件。

　　4.8 选用高质量等级的元器件。

　　4.9 原则上不选用电解电容。

　　4.10 对电源进行合理的热设计，控制环境温度，不致温度过高，导致元器件失效率增加。

　　4.11 尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。

　　4.12 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。

5　可靠性设计

5.1 负荷率的设计

由于负荷率对可靠性有重大影响，故可靠性设计重要的一个方面是负荷率的设计，根据元器件的特性及实践经验，元器件的负荷率在下列数值时，电源系统的可靠性及成本是较优

的。

5.1.1半导体元器件　　　 

半导体元器件的电压降额应在0.6以下，电流降额系数应在0.5以下。半导体元器件除负荷率外还有容差设计，设计开关电源时，应适当放宽半导体元器件的参数允许变化范围，包括制造容差、温度漂移、时间漂移、辐射导致的漂移等。以保证半导体元器件的参数在一定范围内变化时，开关电源仍能正常工作。

5.1.2电容器　　　 
电容器的负荷率（工作电压和额定电压之比）最好在0.5左右，一般不要超过0.8，并且尽量使用无极性电容器。而且，在高频应用的情况下，电压降额幅度应进一步加大，对电解电容器更应如此。应特别注意，电容器有低压失效的问题，对于普通铝电解电容器和无极性电容的电压降额不低于0.3，但钽电容的电压降额应在0.3以下。电压降额不能太多，否则电容器的失效率将上升。

5.1.3电阻器、电位器 
电阻器、电位器的负荷率要小于0.5,此为电阻器设计的上限值；但是大量试验证明，当电阻器降额数低于0.1时，将得不到预期的效果，失效率有所增加，电阻降额系数以0.1为可靠性降额设计的下限值。
　　　 
总之，对各种元器件的负荷率只要有可能，一般应保持在0.3左右。最好不要超过0.5。这样的负荷率，对电源系统造成不可靠的机率是非常小的。

5.2 电源的热设计　　
开关电源内部过高的温升将会导致温度敏感的半导体器件、电解电容等元器件的失效。当温度超过一定值时，失效率呈指数规律增加。有统计资料表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%；温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6。除了电应力之外，温度是影响开关电源可靠性的最重要的因素。高频开关电源有大功率发热器件，温度更是影响其可靠性的最重要的因素之一，完整的热设计包括两个方面：一 如何控制发热源的发热量；二 如何将热源产生的热量散出去。使开关电源的温升控制在允许的范围之内，以保证开关电源的可靠性。下面将从这两个方面论述。

　5.2.1 控制发热量的设计　　　
开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管、功率二极管、高频变压器、滤波电感等。不同器件有不同的控制发热量的方法。功率管是高频开关电源中发热量较大的器件之一，减小它的发热量，不仅可以提高功率管的可靠性，而且可以提高开关电源的可靠性，提高平均无故障时间（MTBF）。开关管的发热量是由损耗引起的，开关管的损耗由开关过程损耗和通态损耗两部分组成，减小通态损耗可以通过选用低通态电阻的开关管来减小通态损耗；开关过程损耗是由于栅电荷大小及开关时间引起的，减小开关过程损耗可以选择开关速度更快、恢复时间更短的器件来减少。但更为重要的是通过设计更优的控制方式和缓冲技术来减小损耗，如采用软开关技术，可以大大减小这种损耗。减小功率二极管的发热量，对交流整流及缓冲二极管，一般情况下不会有更好的控制技术来减小损耗，可以通过选择高质量的二极管来减小损耗。对于变压器二次侧的整流可以选择效率更高的同步整流技术来减小损耗。对于高频磁性材料引起的损耗，要尽量避免趋肤效应，对于趋肤效应造成的影响，可采用多股细漆包线并绕的办法来解决。

5.2.2 开关电源的散热设计
MOS管导通时有一定的压降，也即器件有一定的损耗，它将引起芯片的温升，但是器件的发热情况与其耐热能力和散热条件有关。由此，器件功耗有一定的容限。其值按热欧姆定律可表示为：

    PD="Tj-Tc/RT"
　　
式中，Tj 是额定结温（Tj=150℃），Tc是壳温，RT是结到管壳间的稳态热阻，Tj代表器件的耐热能力，Tc和 RT代表器件的散热条件，而PD就是器件的发热情况。它必须在器件的耐热能力和散热条件之间取得平衡。
　　　 
散热有三种基本方式：热传导、热辐射、热对流。根据散热的方式，可以选自然散热：加装散热器；或选择强制风冷：加装风扇。加装散热器主要利用热传导和热对流，即所有发热元器件均先固定在散热器上，热量通过传导方式传递给散热器，散热器上的热量再通过能流换热的方式由空气传递热量，进行散热。

5.2.3  电源的散热仿真

散热仿真是开发电源产品以及提供产品材料指南一个重要的组成部分。优化模块外形尺寸是终端设备设计的发展趋势，这就带来了从金属散热片向 PCB 覆铜层散热管理转换的问题。当今的一些模块均使用较低的开关频率，用于开关模式电源和大型无源组件。对于驱动内部电路的电压转换和静态电流而言，线性稳压器的效率较低。

随着功能越来越丰富，性能越来越高，设备设计也变得日益紧凑，这时 IC 级和系统级的散热仿真就显得非常重要了。

    一些应用的工作环境温度为 70 到 125℃，并且一些裸片尺寸车载应用的温度甚至高达 140℃，就这些应用而言，系统的不间断运行非常重要。进行电子设计优化时，上述两类应用的瞬态和静态最坏情况下的精确散热分析正变得日益重要。

散热管理

散热管理的难点在于要在获得更高散热性能、更高工作环境温度以及更低覆铜散热层预算的同时，缩小封装尺寸。高封装效率将导致产生热量组件较高的集中度，从而带来在 IC 级和封装级极高的热通量。

系统中需要考虑的因素包括可能会影响分析器件温度、系统空间和气流设计/限制条件等其他一些印刷电路板功率器件。散热管理要考虑的三个层面分别为：封装、电路板和系统（请参见图 1）。

图 1 IC 封装中典型的热传递路径

低成本、小外形尺寸、模块集成和封装可靠性是选择封装时需要考虑的几个方面。由于成本成为关键的考虑因素，因此基于引线框架的散热增强封装正日益受到人们的青睐。这种封装包括内嵌散热片或裸露焊盘和均热片型封装，设计旨在提高散热性能。在一些表面贴装封装中，一些专用引线框架在封装的每一面均熔接几条引线，以起到均热器的作用。这种方法为裸片焊盘的热传递提供了较好的散热路径。

IC 与封装散热仿真

散热分析要求详细、准确的硅芯片产品模型和外壳散热属性。半导体供应商提供硅芯片 IC 散热机械属性和封装，而设备制造商则提供模块材料的相关信息。产品用户提供使用环境资料。

这种分析有助于 IC 设计人员对电源 FET 尺寸进行优化，以适用于瞬态和静态运行模式中的最坏情况下的功耗。在许多电源电子 IC 中，电源 FET 都占用了裸片面积相当大的一部分。散热分析有助于设计人员优化其设计。

选用的封装一般会让部分金属外露，以此来提供硅芯片到散热器的低散热阻抗路径。模型要求的关键参数如下：

• 硅芯片尺寸纵横比和芯片厚度。

• 功率器件面积和位置，以及任何发热的辅助驱动电路。

• 电源结构厚度（硅芯片内分散情况）。

• 硅芯片连接至外露金属焊盘或金属突起连接处的裸片连接面积与厚度。可能包括裸片连接材料气隙百分比。

• 外露金属焊盘或金属突起连接处的面积和厚度。

• 使用铸模材料和连接引线的封装尺寸。

需提供模型所用每一种材料的热传导属性。这种数据输入还包括所有热传导属性的温度依赖性变化，这些传导属性具体包括：

• 硅芯片热传导性

• 裸片连接、铸模材料的热传导性

• 金属焊盘或金属突起连接处的热传导性。

• 封装类型 (packageproduct) 和 PCB 相互作用

散热仿真的一个至关重要的参数是确定焊盘到散热片材料的热阻，其确定方法主要有以下几种：

• 多层 FR4 电路板（常见的为四层和六层电路板）

• 单端电路板

• 顶层及底层电路板

散热和热阻路径根据不同的实施方法而各异：

• 连接至内部散热片面板的散热焊盘或突起连接处的散热孔。使用焊料将外露散热焊盘或突起连接处连接至 PCB 顶层。

• 位于外露散热焊盘或突起连接处下方PCB 上的一个开口，可以和连接至模块金属外壳的伸出散热片基座相连。

• 利用金属螺钉将散热层连接至金属外壳的 PCB 顶部或底部覆铜层上的散热片。使用焊料将外露散热焊盘或突起连接处连接至 PCB 的顶层。

另外，每层 PCB 上所用镀铜的重量或厚度非常关键。就热阻分析而言，连接至外露焊盘或突起连接处的各层直接受这一参数的影响。一般而言，这就是多层印刷电路板中的顶部、散热片和底部层。

大多数应用中，其可以是两盎司重的覆铜（2 盎司铜=2.8 mils或 71 µm）外部层，以及1盎司重的覆铜（1盎司铜= 1.4 mils 或 35µm）内部层，或者所有均为 1 盎司重的覆铜层。在消费类电子应用中，一些应用甚至会使用 0.5 盎司重的覆铜（0.5 盎司铜= 0.7 mils 或 18 µm）层。

模型资料

仿真裸片温度需要一张 IC 平面布置图，其中包括裸片上所有的电源FET 以及符合封装焊接原则的实际位置。

每一个 FET 的尺寸和纵横比，对热分布都非常重要。需要考虑的另一个重要因素是 FET 是否同时或顺序上电。模型精度取决于所使用的物理数据和材料属性。

模型的静态或平均功耗分析只需很短的计算时间，并且一旦记录到最高温度时便出现收敛。

瞬态分析要求功耗－时间对比数据。我们使用了比开关电源情况更好的解析步骤来记录数据，以精确地对快速功率脉冲期间的峰值温度上升进行捕获。这种分析一般费时较长，且要求比静态功率模拟更多的数据输入。

该模型可仿真裸片连接区域的环氧树脂气孔，或 PCB 散热板的镀层气孔。在这两种情况下，环氧树脂/镀层气孔都会影响封装的热阻（请参见图 2）。

图 2 热传递的热阻路径

散热定义

Θja—表示周围热阻的裸片结点，通常用于散热封装性能对比。

Θjc—表示外壳顶部热阻的裸片结点。

Θjp—表示外露散热焊盘热阻的芯片结点，通常用于预测裸片结点温度的较好参考。

Θjb—表示一条引线热阻路径下电路板的裸片结点。

PCB 与模块外壳的实施

数据表明需要进行一些改动来降低顶部层附近裸片上的 FET 最高温度，以防止热点超出 150C 的 T 结点（请参见图 3）。系统用户可以选择控制该特定序列下的功率分布，以此来降低裸片上的功率温度。

图 3 由散热仿真得到的一个结果示例

散热仿真是开发电源产品的一个重要组成部分。此外，其还能够指导您对热阻参数进行设置，涵盖了从硅芯片 FET 结点到产品中各种材料实施的整个范围。一旦了解了不同的热阻路径之后，我们便可以对许多系统进行优化，以适用于所有应用。

该数据还可以被用于确定降额因子与环境运行温度升高之间相关性的准则。这些结果可用来帮助产品开发团队开发其设计。

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